more ideas added and some formulations
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2 Re: BC11912
3     Combined ab initio and classical potential simulation study on the
4     silicon carbide precipitation in silicon
5     by F. Zirkelbach, B. Stritzker, K. Nordlund, et al.
6
7 and
8
9 Re: BA11443
10     First-principles study of defects in carbon-implanted silicon
11     by F. Zirkelbach, B. Stritzker, J. K. N. Lindner, et al.
12
13
14
15 Dear Dr. Dahal,
16
17 thank you for the feedback to our submission.
18
19 > We look forward to receiving such a comprehensive manuscript. When you
20 > resubmit, please include a summary of the changes made, and a detailed
21 > response to all recommendations and criticisms.
22
23 We decided to follow yours and the referee's suggestion to merge the
24 two manuscripts into a single comprehensive manuscript.
25
26 Please find below the summary of changes and a detailed response to
27 the recommendations of the referee.
28
29 Most of the criticism is pasted from the previous review justified by
30 the statement that we did ignore or not adequatley respond to it.
31 However, we commented on every single issue and a more adequate
32 answer is hindered if the referee does not specify the respective
33 points of criticism. Thus, some part of the response might be
34 identical to our previous one.
35
36 Sincerely,
37
38 Frank Zirkelbach
39
40
41 --------------- Response to recommendations ----------------
42
43 TODO: add changes applied due to criticism ...
44
45 > I am not happy with these two papers for a multitude of reasons,
46 > and I recommend that the authors rewrite them as a single longer
47 > paper, to eliminate the criticism of serial publication. I do not
48 > accept the authors argument that they should be two papers ­ they
49 > address the same issues, using the same methods. If they were to
50 > be split into two papers, it would be one for the VASP
51 > calculations, and one for the MD ­ this is not how I suggest you
52 > do it, though.
53
54 We now combined the two manuscripts to a single comprehensive one.
55
56 > do it, though. First, though, the following issues should be
57 > addressed (some are simply pasted from my previous reviews, where
58 > I feel that the authors have ignored them, or not responded
59 > adequately).
60 >
61 > 1. I feel that the authors are a bit too convinced by their own
62 > calculations.  They do not state the error bars that would be
63 > expected for calculations like this +/- 0.2 eV would be a very
64 > optimistic estimate, I suggest. That being so, many of their
65 > conclusions on which structure or migration routes are most
66 > likely start to look rather less certain.
67
68 In literature, very often, differences less than 0.2 eV are obtained
69 in DFT studies and respective conclusions are derived. For instance,
70 differences in the energy of formation ranging from 0.05 - 0.12 eV are
71 considered significant enough to conclude on the energetically most
72 favorable intrinsic defect configurations in Si (PRB 68, 235205
73 (2003); PRL 83, 2351 (1999)).  This is due to the fact that existing
74 errors are most probably of the systematic rather than the random
75 type. The error in the estimate of the cohesive energy is canceled out
76 since it is likewise wrong in the defect as in the bulk configuration,
77 which are substracted in the expression of the defect formation
78 energy. Even if the defect formation energy is overestimated due to a
79 too small size of the supercell resulting in a non-zero interaction of
80 the defect with its images, this is likewise true for other defects.
81 Although the actual value might be wrong, observed differences in
82 energy, thus, allow to draw conlcusions on the stability of defect
83 configurations. This is also valid for diffusion barriers, which are
84 given by differences in energy of different structures.
85 In fact, differences of 0.2 eV in DFT calculations are considered
86 insignificant when being compared to experimental results or data of
87 other ab initio studies. However, the observed differences in energy
88 within our systematic DFT study are considered reliable.
89
90 > 2. Why is 216 atoms a large enough supercell ­ many defect
91 > properties are known to converge very slowly with supercell size.
92
93 Of course, choosing a supercell containing 216 atoms constitutes a
94 tradeoff. It is considered the optimal choice with respect to
95 computational efficiency and accuracy.
96
97 We would like to point out that, both, single defects as well as
98 combinations of two defects were investigated in such supercells in
99 successive calculations.
100
101 For single defects, the size of the supercell should be sufficient.
102 This is shown in PRB 58, 1318 (1998) predicting convergence of the
103 vacancy in silicon - the defect assumed to be most critical due to
104 the flatness of the total energy surface as a function of the ionic
105 coordinates - for supercells containing more than 128 atomic sites,
106 where the defect formation energy is already well estimated using
107 smaller supercells of 64 atomic sites. Thus, convergence of the
108 formation energies of single defects with respect to the size of the
109 supercell is assumed.
110
111 > They appear to be separating defects by as large a distance as
112 > can be accommodated in the supercell to approximate the isolated
113 > defects, but then they are only separated by a few lattice
114 > spacings from a whole array of real and image defects ­ how does
115 > that compare with taking the energies of each defect in a
116 > supercell.
117
118 Again, we would like to point out that it is not our purpose to
119 separate defects by a large distance in order to approximate the
120 situation of isolated defects. However, we find that for increasing
121 defect distances, configurations appear, which converge to the
122 energetics of two isolated defects. This is indicated by the (absolute
123 value of the) binding energy, which is approaching zero with
124 increasing distance. From this, we conclude a decrease in interaction,
125 which is already observable for defect separation distances accessible
126 in our simulations.
127
128 Nevertheless, the focus is on closely neighbored, interacting defects
129 (for which an interaction with their own image is, therefore, supposed
130 to be negligible, too). In fact, combinations of defects exhibiting
131 equivalent distances were successfully modeled in a supercell
132 containing 216 atoms in PRB 66, 195214 (2002). At no time, our aim was
133 to investigate single isolated defect structures and their properties
134 by a structure with increased separation distance of the two defects.
135
136 > 3. Constant pressure solves some problems, but creates others ­
137 > is it really a sensible model of implantation? What differences
138 > are seen for constant volume calculations (on a few simple
139 > examples, say)?
140
141 In experiment substrate swelling is observed for high-dose carbon
142 implantation into silicon. Indeed, using the NpT ensemble for
143 calculations of a single (double) C defect in Si is questionable.
144 However, only small changes in volume were observed and, thus, it is
145 assumed that there is no fundamental difference between calculations
146 in the canonical and isothermal-isobaric ensemble.
147
148 > 4. What method do they use to determine migration paths? How can
149 > they convince us that the calculations cover all possible
150 > migrations paths ­ that is, the paths they calculate are really
151 > the lowest energy ones?  This is a major issue ­ there are a
152 > number of methods used in the literature to address it ­ are the
153 > authors aware of them? Have they used one of them?
154
155 A slightly modified version of the constrained conjugate gradient
156 relaxation method is used. It is named in the very beginning of the
157 second part of chapter II and a reference is given. Although, in
158 general, the method not necessarily unveils the lowest energy
159 migration path it gives reasonable results for the specific system.
160 This can be seen for the resulting pathway of C interstitial DB
161 migration, for which the activation energy perfectly matches
162 experimental data.
163
164 For clarity we added a statement, however, that of course the true
165 minimum energy path may still be missed. (-> Change 4)
166
167 > 5. I have some serious reservations about the methodology
168 > employed in the MD calculations. The values given for the basic
169 > stabilities and migration energies in some cases disagree
170 > radically with those calculated by VASP, which I would argue
171 > (despite 4 above) to be the more reliable values. The main
172 > problems is the huge over-estimate of the C interstitial
173 > migration energy (a process which is at the heart of the
174 > simulations) using the potential used in the paper. I am not
175 > convinced that the measures they take to circumvent the problems
176 > in the method do not introduce further uncertainties, and I would
177 > need a bit more convincing that the results are actually valid.
178 > The authors' circumvention of this is to do the simulations at
179 > much heightened temperatures.  However, this only gives a good
180 > model of the system if all cohesive and migration energies are
181 > over-estimated by a similar factor, which is demonstratably
182 > untrue in this case. For this reason, despite the reputation and
183 > previous work with Tersoff (and similar) potentials, the results
184 > need a critical scrutiny, which I am not very convinced by in
185 > this case.
186
187 TODO: add idea that elevated temperatures are considered necessary to
188 deviate the system out of equilibrium, as assumed to be the case in IBS
189
190 you can always add constant to energy.
191 formation energies are not overestimated
192 just the migration barriers are
193 to increase probability of transitions, temperature is increased
194 occupation of energetically more unfavorable states likewise increased
195 indeed, sub conf, which is slightly higher than c-si DB, is increased
196 comparing with experimental findings that suggest c sub for higher
197 temperatures gives rise to the conclusion that the increased
198 temperatures are needed to deviate the system out of the ground state!
199
200 There is not necessarily a correlation of cohesive energies or defect
201 formation energies with activation energies for migration. Cohesive
202 energies are most often well described by the classical potentials
203 since these are most often used to fit the potential parameters. The
204 overestimated barriers, however, are due to the short range character
205 of these potentials, which drop the interaction to zero within the
206 first and next neighbor distance using a special cut-off function.
207 Since the total binding energy is 'accommodated' within this short
208 distance, which according to the universal energy relation would
209 usually correspond to a much larger distance, unphysical high forces
210 between two neighbored atoms arise. This is explained in detail in the
211 study of Mattoni et. al. (PRB 76, 224103 (2007)).
212
213 Since most of the defect structures show atomic distances below the
214 critical distance, for which the cut-off function is taking effect,
215 the respective formation energies are quite well described, too (at
216 least they are not necessarily overestimated in the same way).
217
218 While the properties of some structures near the equilibrium position
219 are well described, the above mentioned effects increase for
220 non-equilibrium structures and dynamics. Thus, for instance, it is not
221 surprising that short range potentials show overestimated melting
222 temperatures. This is not only true for the EA but also (to an even
223 larger extent) for Tersoff potentials, one of the most widely used
224 classical potentials for the Si/C system. The fact that the melting
225 temperature is drastically overestimated although the cohesive
226 energies are nicely reproduced indicates that there is no reason why
227 the cohesive and formational energies should be overestimated to the
228 same extent in order to legitimate the increase in temperature to
229 appropriately consider the overestimated barrier heights for
230 diffusion.
231
232 Indeed, a structural transformation with increasing temperature is
233 observed, which can be very well explained and correlated to
234 experimental findings.
235
236 The underestimated energy of formation of substitutional C for the EA
237 potential does not pose a problem in the present context. Since we
238 deal with a perfect Si crystal and the number of particles is
239 conserved, the creation of substitutional C is accompanied by the
240 creation of a Si interstitial.  The formation energies of the
241 different structures of an additional C atom incorporated into
242 otherwise perfect Si shows the same ground state, i.e. the C-Si 100 DB
243 structure, for classical potential as well as ab initio calculations.
244
245 The arguments discussed above are now explained in more detail in the
246 revised version of our work. (-> Change 1, Change 2)
247
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249
250 --------------- Summary of changes ----------------
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