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[lectures/latex.git] / posic / talks / dpg_2008.tex
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32 \input{seminar.bug}             % Official bugs corrections
33 \input{seminar.bg2}             % Unofficial bugs corrections
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38
39 \begin{document}
40
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45
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49
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53
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59 % itemize level ii
60 \renewcommand\labelitemii{{\color{gray}$\bullet$}}
61
62 % topic
63
64 \begin{slide}
65 \begin{center}
66
67  \vspace{16pt}
68
69  {\LARGE\bf
70   Molecular dynamics simulation study\\
71   of the silicon carbide precipitation process
72  }
73
74  \vspace{24pt}
75
76  \textsc{\small \underline{F. Zirkelbach}$^1$, J. K. N. Lindner$^1$,
77          K. Nordlund$^2$, B. Stritzker$^1$}\\
78
79  \vspace{32pt}
80
81  \begin{minipage}{2.0cm}
82   \begin{center}
83   \includegraphics[height=1.6cm]{uni-logo.eps}
84   \end{center}
85  \end{minipage}
86  \begin{minipage}{8.0cm}
87   \begin{center}
88    {\footnotesize
89     $^1$ Experimentalphysik IV, Institut f"ur Physik,\\
90          Universit"at Augsburg, Universit"atsstr. 1,\\
91          D-86135 Augsburg, Germany
92    }
93   \end{center}
94  \end{minipage}
95  \begin{minipage}{2.3cm}
96   \begin{center}
97   \includegraphics[height=1.5cm]{Lehrstuhl-Logo.eps}
98   \end{center}
99  \end{minipage}
100
101  \vspace{16pt}
102
103  \begin{minipage}{4.0cm}
104   \begin{center}
105   \includegraphics[height=1.6cm]{logo_eng.eps}
106   \end{center}
107  \end{minipage}
108  \begin{minipage}{8.0cm}
109   \begin{center}
110   {\footnotesize
111    $^2$ Accelerator Laboratory, Department of Physical Sciences,\\
112    University of Helsinki, Pietari Kalmink. 2,\\
113    00014 Helsinki, Finland
114   }
115   \end{center}
116  \end{minipage}
117 \end{center}
118 \end{slide}
119
120 % contents
121
122 \begin{slide}
123
124  \begin{center}
125  {\bf
126   Molecular dynamics simulation study\\
127   of the silicon carbide precipitation process
128  }
129  \end{center}
130
131  \vspace{16pt}
132
133  {\large\bf
134   Outline
135  }
136
137  \vspace{16pt}
138
139  \begin{itemize}
140   \item Motivation / Introduction
141   \item Molecular dynamics simulation details
142         \begin{itemize}
143          \item Integrator, potential, ensemble control
144          \item Simulation sequence
145         \end{itemize}
146   \item Simulation results
147         \begin{itemize}
148          \item Interstitials in silicon
149          \item SiC-precipitation experiments
150         \end{itemize}
151   \item Conclusion / Outlook
152  \end{itemize}
153 \end{slide}
154
155 % start of contents
156
157 \begin{slide}
158
159  {\large\bf
160   Motivation / Introduction
161  }
162
163  \vspace{16pt}
164
165  Reasons for investigating C in Si:
166
167  \begin{itemize}
168   \item 3C-SiC wide band gap semiconductor formation
169   \item Strained Si (no precipitation wanted!)
170  \end{itemize}
171
172  \vspace{16pt}
173
174  Si / 3C-SiC facts:
175
176  \begin{minipage}{8cm}
177  \begin{itemize}
178   \item Unit cell:
179         \begin{itemize}
180          \item {\color{yellow}fcc} $+$
181          \item {\color{gray}fcc shifted $1/4$ of volume diagonal}
182         \end{itemize}
183   \item Lattice constants: $4a_{Si}\approx5a_{SiC}$
184   \item Silicon density: 
185         \[
186         \frac{n_{SiC}}{n_{Si}}=
187         \frac{4/a_{SiC}^3}{8/a_{Si}^3}=
188         \frac{5^3}{2\cdot4^3}={\color{cyan}97,66}\,\%
189         \]
190  \end{itemize}
191  \end{minipage}
192  \hspace{8pt}
193  \begin{minipage}{4cm}
194  \includegraphics[width=4cm]{sic_unit_cell.eps}
195  \end{minipage}
196
197 \end{slide}
198
199  \small
200 \begin{slide}
201
202  {\large\bf
203   Motivation / Introduction
204  }
205
206  \small
207  \vspace{6pt}
208
209  Supposed conversion mechanism of heavily carbon doped Si into SiC:
210
211  \vspace{8pt}
212
213  \begin{minipage}{3.8cm}
214  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_01.eps}
215  \end{minipage}
216  \hspace{0.6cm}
217  \begin{minipage}{3.8cm}
218  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_02.eps}
219  \end{minipage}
220  \hspace{0.6cm}
221  \begin{minipage}{3.8cm}
222  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_03.eps}
223  \end{minipage}
224
225  \vspace{8pt}
226
227  \begin{minipage}{3.8cm}
228  Formation of C-Si dumbbells on regular c-Si lattice sites
229  \end{minipage}
230  \hspace{0.6cm}
231  \begin{minipage}{3.8cm}
232  Agglomeration into large clusters (embryos)\\
233  \end{minipage}
234  \hspace{0.6cm}
235  \begin{minipage}{3.8cm}
236  Precipitation of 3C-SiC + Creation of interstitials\\
237  \end{minipage}
238
239  \vspace{12pt}
240
241  Experimentally observed:
242  \begin{itemize}
243   \item Minimal diameter of precipitation: 4 - 5 nm
244   \item (hkl)-planes identical for Si and SiC
245  \end{itemize}
246
247 \end{slide}
248
249 \begin{slide}
250
251  {\large\bf
252   Simulation details
253  }
254
255  \vspace{12pt}
256
257  MD basics:
258  \begin{itemize}
259   \item Microscopic description of N particle system
260   \item Analytical interaction potential
261   \item Hamilton's equations of motion as propagation rule\\
262         in 6N-dimensional phase space
263   \item Observables obtained by time average
264  \end{itemize}
265
266  \vspace{12pt}
267
268  Application details:
269  \begin{itemize}
270   \item Integrator: Velocity Verlet, timestep: $1\, fs$
271   \item Ensemble control: NVT, Berendsen thermostat, $\tau=100.0$
272   \item Potential: Tersoff-like bond order potential\\
273         \[
274         E = \frac{1}{2} \sum_{i \neq j} \pot_{ij}, \quad
275         \pot_{ij} = f_C(r_{ij}) \left[ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) \right]
276         \]
277         \begin{center}
278         {\scriptsize P. Erhart und K. Albe. Phys. Rev. B 71 (2005) 035211}
279         \end{center}
280  \end{itemize}
281
282  \begin{picture}(0,0)(-240,-70)
283   \includegraphics[width=5cm]{tersoff_angle.eps} 
284  \end{picture}
285
286 \end{slide}
287
288 \begin{slide}
289
290  {\large\bf
291   Simulation details
292  }
293
294  \vspace{20pt}
295
296  Interstitial experiments:
297
298  \vspace{12pt}
299
300  \begin{itemize}
301   \item Initial configuration: $9\times9\times9$ unit cells Si
302   \item Periodic boundary conditions
303   \item $T=0 \, K$
304   \item Insertion of Si / C atom at
305         \begin{itemize}
306          \item $(0,0,0)$ $\rightarrow$ {\color{red}tetrahedral}
307          \item $(-1/8,-1/8,1/8)$ $\rightarrow$ {\color{green}hexagonal}
308          \item $(-1/8,-1/8,-1/4)$, $(-1/4,-1/4,-1/4)$\\
309                $\rightarrow$ {\color{yellow}110 dumbbell}
310          \item random positions (critical distance check)
311         \end{itemize}
312   \item Relaxation time: $2\, ps$
313   \item Optional heating-up 
314  \end{itemize}
315
316  \begin{picture}(0,0)(-210,-45)
317   \includegraphics[width=6cm]{unit_cell.eps}
318  \end{picture}
319
320 \end{slide}
321
322 \begin{slide}
323
324  {\large\bf
325   Simulation details
326  }
327
328  \small
329
330  SiC precipitation experiments:
331
332  \begin{pspicture}(0,0)(12,8)
333   % nodes
334   \rput(4.5,6.5){\rnode{init}{\psframebox{\parbox{7cm}{
335    \begin{itemize}
336     \item Initial configuration: $31\times31\times31$ unit cells Si
337     \item Periodic boundary conditions
338     \item $T=450\, ^{\circ}C$
339     \item Equilibration of $E_{kin}$ and $E_{pot}$ for $600\, fs$
340    \end{itemize}
341   }}}}
342   \rput(4.5,4.5){\rnode{tc1}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=red]{
343                              $T=450\pm 1\, ^{\circ}C$}}}
344   \rput(7,3.5){\rnode{insert}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=red]{
345                               \parbox{3cm}{
346                               Insertion of 10 atoms\\
347                               at random positions}}}}
348   \rput(2,3.5){\rnode{adj1}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=red]{
349                             \parbox{3.5cm}{
350                             Adjusting temperature\\
351                             for another $100\, fs$}}}}
352   \rput(7,2.5){\rnode{nc}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=red]{
353                           $N_{atoms}=6000$}}}
354   \rput(4.5,2){\rnode{tc2}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=cyan]{
355                            $T=T_{set}$}}}
356   \rput(7,1){\rnode{td}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=cyan]{
357                         $T_{set}:=T_{set}-1\, ^{\circ}C$}}}
358   \rput(2,1){\rnode{adj2}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=cyan]{
359                           \parbox{3.5cm}{
360                           Adjusting temperature\\
361                           for another $50\, fs$}}}}
362   \rput(7,0){\rnode{tc3}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=cyan]{
363                          $T_{set}=20\, ^{\circ}C$}}}
364   \rput(10,0){\rnode{end}{\psframebox{End}}}
365   % help nodes
366   \rput(7,4.5){\pnode{tc1-h}}
367   \rput(2,4.5){\pnode{tc1-hh}}
368   \rput(4.5,2.5){\pnode{nc-h}}
369   \rput(9,2.5){\pnode{nc-hh}}
370   \rput(9,2){\pnode{tc2-h}}
371   \rput(2,2){\pnode{tc2-hh}}
372   \rput(4.5,0){\pnode{tc3-h}}
373   % direct lines
374   \ncline[]{->}{init}{tc1}
375   \ncline[]{->}{adj1}{tc1}
376   \ncline[]{->}{insert}{nc}
377   \ncline[]{->}{adj2}{tc2}
378   \ncline[]{->}{tc2}{td}
379   \lput*{0}{yes}
380   \ncline[]{->}{td}{tc3}
381   \ncline[]{->}{tc3}{end}
382   \lput*{0}{yes}
383   % lines using help nodes
384   \ncline[]{tc1}{tc1-h}
385   \lput*{0}{yes}
386   \ncline[]{->}{tc1-h}{insert}
387   \ncline[]{tc1}{tc1-hh}
388   \lput*{0}{no}
389   \ncline[]{->}{tc1-hh}{adj1}
390   \ncline[]{nc}{nc-h}
391   \lput*{0}{no}
392   \ncline[]{->}{nc-h}{tc1}
393   \ncline[]{nc}{nc-hh}
394   \ncline[]{-}{nc-hh}{tc2-h}
395   \ncline[]{->}{tc2-h}{tc2}
396   \lput*{0}{yes, {\footnotesize $T_{set}:=450\, ^{\circ}C$}}
397   \ncline[]{tc2}{tc2-hh}
398   \lput*{0}{no}
399   \ncline[]{->}{tc2-hh}{adj2}
400   \ncline[]{tc3}{tc3-h}
401   \lput*{0}{no}
402   \ncline[]{->}{tc3-h}{tc2}
403   % insertion volumes
404   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=white](9.5,1.3)(13.5,5.3)
405   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=lightgray](10,1.8)(13,4.8)
406   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=gray](10.5,2.3)(12.5,4.3)
407   \rput(9.75,3){\pnode{ins1}}
408   \rput(10.25,3.3){\pnode{ins2}}
409   \rput(10.75,3.6){\pnode{ins3}}
410   \ncline[]{-}{insert}{ins1}
411   \ncline[]{-}{insert}{ins2}
412   \ncline[]{-}{insert}{ins3}
413   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=white](9.5,7.6)(13.5,8.1)
414   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=lightgray](9.5,6.8)(13.5,7.3)
415   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=gray](9.5,6)(13.5,6.5)
416   \rput(11.5,7.85){{\tiny Simulation volume:
417                           $31\times31\times31\, a^3_{Si}$}}
418   \rput(11.5,7.05){{\tiny Volume of minimal SiC precipitation}}
419   \rput(11.5,6.25){{\tiny Volume of necessary amount of Si}}
420  \end{pspicture}
421
422 \end{slide}
423
424 \begin{slide}
425
426  {\large\bf
427   Results
428  }
429
430  Si self-interstitial experiments:
431
432  {\footnotesize
433  {\bf Note:}
434  \begin{itemize}
435   \item $r_{cutoff}^{Si-Si}=2.96>\frac{5.43}{2}$
436   \item Bond length near $r_{cutoff} \Rightarrow$ small bond strength
437  \end{itemize}
438  }
439
440  \vspace{8pt}
441
442  \small
443
444  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
445  \underline{Tetrahedral}
446  \begin{itemize}
447   \item $E_f=3.41\, eV$
448   \item essentialy tetrahedral\\
449         bonds
450  \end{itemize}
451  \end{minipage}
452  \hspace{0.3cm}
453  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
454  \underline{110 dumbbell}
455  \begin{itemize}
456   \item $E_f=4.39\, eV$
457   \item essentially 4 bonds
458  \end{itemize}
459  \end{minipage}
460  \hspace{0.3cm}
461  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
462  \underline{Hexagonal}
463  \begin{itemize}
464   \item $E_f^{\star}\approx4.48\, eV$
465   \item unstable!
466  \end{itemize}
467  \end{minipage}
468
469  \vspace{8pt}
470
471  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
472  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_tetra_0.eps}
473  \end{minipage}
474  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
475  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_dumbbell_0.eps}
476  \end{minipage}
477  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
478  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_hexa_0.eps}
479  \begin{center}
480  \href{../video/si_self_int_hexa.avi}{$\rhd$}
481  \end{center}
482  \end{minipage}
483
484 \end{slide}
485
486 \begin{slide}
487
488  {\large\bf
489   Results
490  }
491
492  \vspace{8pt}
493
494  Si self-interstitial \underline{random insertion} experiments:
495
496  \small
497
498  \vspace{8pt}
499
500  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
501  \begin{itemize}
502   \item $E_f=3.97\, eV$
503   \item 3 identical weak bonds
504   \item displaced in volume\\ diagonal
505  \end{itemize}
506  \end{minipage}
507  \hspace{0.3cm}
508  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
509  \begin{itemize}
510   \item $E_f=3.75\, eV$
511   \item 4 identical weak bonds
512   \item displaced in plane\\ diagonal
513  \end{itemize}
514  \end{minipage}
515  \hspace{0.3cm}
516  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
517  \begin{itemize}
518   \item $E_f=3.56\, eV$
519   \item single weak bond
520   \item displaced along\\ $x$-direction
521   \item closest to tetrahedral\\ configuration
522  \end{itemize}
523  \end{minipage}
524
525  \vspace{8pt}
526
527  \begin{minipage}{4.3cm}
528  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_397_0.eps}
529  \end{minipage}
530  \begin{minipage}{4.3cm}
531  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_375_0.eps}
532  \end{minipage}
533  \begin{minipage}{4.3cm}
534  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_356_0.eps}
535  \end{minipage}
536
537  \vspace{8pt}
538
539  \begin{center}
540   {\footnotesize
541    {\bf Note:} Displacements relative to tetrahedral configuration
542   }
543  \end{center}
544
545 \end{slide}
546
547 \begin{slide}
548
549  {\large\bf
550   Results
551  }
552
553  \vspace{8pt}
554
555  Carbon interstitial experiments:
556
557  \vspace{12pt}
558
559  \small
560
561  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
562  \underline{Tetrahedral}
563  \begin{itemize}
564   \item $E_f=2.67\, eV$
565   \item tetrahedral bond
566  \end{itemize}
567  \end{minipage}
568  \hspace{0.3cm}
569  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
570  \underline{110 dumbbell}
571  \begin{itemize}
572   \item $E_f=1.76\, eV$
573   \item C forms 3 bonds
574  \end{itemize}
575  \end{minipage}
576  \hspace{0.3cm}
577  \begin{minipage}[t]{4.0cm}
578  \underline{Hexagonal}
579  \begin{itemize}
580   \item $E_f^{\star}\approx5.6\, eV$
581   \item unstable!
582  \end{itemize}
583  \end{minipage}
584
585  \vspace{8pt}
586
587  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
588  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_tetra_0.eps}
589  \end{minipage}
590  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
591  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_dumbbell_0.eps}
592  \end{minipage}
593  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
594  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_hexa_0.eps}
595  \begin{center}
596  \href{../video/c_in_si_int_hexa.avi}{$\rhd$}
597  \end{center}
598  \end{minipage}
599
600 \end{slide}
601
602 \begin{slide}
603
604  {\large\bf
605   Results
606  }
607
608  %\vspace{8pt}
609
610  Carbon \underline{random insertion} experiments:
611
612  %\vspace{8pt}
613
614  \footnotesize
615
616  \begin{minipage}[c]{6.3cm}
617   \begin{minipage}{3.4cm}
618    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_001db_0.eps}
619   \end{minipage}
620   \begin{minipage}{2.5cm}
621    \begin{itemize}
622     \item $E_f=0.47\, eV$
623     \item 001 dumbbell
624    \end{itemize}
625   \end{minipage}
626  \end{minipage}
627  \begin{minipage}[c]{6.3cm}
628   \begin{minipage}{3.4cm}
629    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_rand_162_0.eps}
630   \end{minipage}
631   \begin{minipage}{2.8cm}
632    \begin{itemize}
633     \item $E_f=1.62\, eV$
634     \item 3 weak + strong bonds
635    \end{itemize}
636   \end{minipage}
637  \end{minipage}
638
639  \begin{minipage}[c]{6.3cm}
640   \begin{minipage}{3.4cm}
641    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_rand_239_0.eps}
642   \end{minipage}
643   \begin{minipage}{2.5cm}
644    \begin{itemize}
645     \item $E_f=2.39\, eV$
646    \end{itemize}
647    \begin{center}
648     \href{../video/c_in_si_int_rand_239.avi}{$\rhd$}
649    \end{center}
650   \end{minipage}
651  \end{minipage}
652  \begin{minipage}[c]{6.3cm}
653   \begin{minipage}{3.4cm}
654    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_rand_341_0.eps}
655   \end{minipage}
656   \begin{minipage}{2.8cm}
657    \begin{itemize}
658     \item $E_f=3.41\, eV$
659    \end{itemize}
660    \begin{center}
661     \href{../video/c_in_si_int_rand_341.avi}{$\rhd$}
662    \end{center}
663   \end{minipage}
664  \end{minipage}
665
666  \vspace{4pt}
667
668  \begin{center}
669  {\bf Note:} High probability for 110 dumbbell ($1.76\, eV$) configurations!
670  \end{center}
671
672 \end{slide}
673
674 \begin{slide}
675
676  {\large\bf
677   Results
678  }
679
680  SiC-precipitation experiments:
681
682 \end{slide}
683
684 \begin{slide}
685
686  {\large\bf
687   Conclusion / Outlook
688  }
689
690 \end{slide}
691
692 \end{document}
693