safety checkin -> attac campus, mechanismus 1
[lectures/latex.git] / posic / talks / seminar_2008.tex
1 \pdfoutput=0
2 \documentclass[landscape,semhelv]{seminar}
3
4 \usepackage{verbatim}
5 \usepackage[greek,german]{babel}
6 \usepackage[latin1]{inputenc}
7 \usepackage[T1]{fontenc}
8 \usepackage{amsmath}
9 \usepackage{latexsym}
10 \usepackage{ae}
11
12 \usepackage{calc}               % Simple computations with LaTeX variables
13 \usepackage{caption}            % Improved captions
14 \usepackage{fancybox}           % To have several backgrounds
15
16 \usepackage{fancyhdr}           % Headers and footers definitions
17 \usepackage{fancyvrb}           % Fancy verbatim environments
18 \usepackage{pstricks}           % PSTricks with the standard color package
19
20 \usepackage{pstricks}
21 \usepackage{pst-node}
22
23 %\usepackage{epic}
24 %\usepackage{eepic}
25
26 \usepackage{graphicx}
27 \graphicspath{{../img/}}
28
29 \usepackage[setpagesize=false]{hyperref}
30
31 \usepackage{semcolor}
32 \usepackage{semlayer}           % Seminar overlays
33 \usepackage{slidesec}           % Seminar sections and list of slides
34
35 \input{seminar.bug}             % Official bugs corrections
36 \input{seminar.bg2}             % Unofficial bugs corrections
37
38 \articlemag{1}
39
40 \special{landscape}
41
42 % font
43 %\usepackage{cmbright}
44 %\renewcommand{\familydefault}{\sfdefault}
45 %\usepackage{mathptmx}
46
47 \usepackage{upgreek}
48
49 \begin{document}
50
51 \extraslideheight{10in}
52 \slideframe{none}
53
54 \pagestyle{empty}
55
56 % specify width and height
57 \slidewidth 27.7cm 
58 \slideheight 19.1cm 
59
60 % shift it into visual area properly
61 \def\slideleftmargin{3.3cm}
62 \def\slidetopmargin{0.6cm}
63
64 \newcommand{\ham}{\mathcal{H}}
65 \newcommand{\pot}{\mathcal{V}}
66 \newcommand{\foo}{\mathcal{U}}
67 \newcommand{\vir}{\mathcal{W}}
68
69 % itemize level ii
70 \renewcommand\labelitemii{{\color{gray}$\bullet$}}
71
72 % colors
73 \newrgbcolor{si-yellow}{.6 .6 0}
74 \newrgbcolor{hb}{0.75 0.77 0.89}
75 \newrgbcolor{lbb}{0.75 0.8 0.88}
76 \newrgbcolor{lachs}{1.0 .93 .81}
77
78 % topic
79
80 \begin{slide}
81 \begin{center}
82
83  \vspace{16pt}
84
85  {\LARGE\bf
86   Molekulardynamische Untersuchung\\
87   zum SiC-Ausscheidungsvorgang
88  }
89
90  \vspace{48pt}
91
92  \textsc{F. Zirkelbach}
93
94  \vspace{48pt}
95
96  Lehrstuhlseminar
97
98  \vspace{08pt}
99
100  13. November 2008
101
102 \end{center}
103 \end{slide}
104
105 % contents
106
107 \begin{slide}
108
109 {\large\bf
110  Gliederung
111 }
112
113  \begin{itemize}
114   \item Motivation
115   \item SiC-Ausscheidungsvorgang
116   \item Simulation
117         \begin{itemize}
118          \item Details der MD-Simulation
119          \item Zwischengitter-Konfigurationen
120          \item Simulationen zum Ausscheidungsvorgang
121          \item SiC-Ausscheidungen in Si
122         \end{itemize}
123   \item Zusammenfassung und Ausblick
124  \end{itemize}
125
126 \end{slide}
127
128 % start of contents
129
130 \begin{slide}
131
132  {\large\bf
133   Motivation
134  }
135
136  {\small
137
138  Eigenschaften von SiC:
139
140  \begin{itemize}
141   \item gro"se Bandl"ucke (3C: 2.39 eV, 4H: 3.28 eV, 6H: 3.03 eV)
142   \item hohe mechanische Stabilit"at
143   \item gute Ladungstr"agermobilit"at
144   \item sp"ate S"attigung der Elektronen-Driftgeschwindigkeit
145   \item chemisch inerte Substanz
146   \item hohe thermische Leitf"ahigkeit und Stabilit"at
147   \item geringer Neutroneneinfangquerschnitt
148   \item strahlungsresistent
149  \end{itemize}
150
151  Anwendungen:
152
153  \begin{itemize}
154   \item Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Hochleistungsbauelemente
155   \item Optoelektronik (blaue LEDs), Sensoren
156   \item Kandidat f"ur Tr"ager und W"ande in Fusionsreaktoren
157   \item Luft- und Raumfahrtindustrie, Milit"ar
158   \item kohlenfaserverst"arkte SiC-Verbundkeramik
159  \end{itemize}
160
161  }
162
163  \begin{picture}(0,0)(-280,-150)
164   %\includegraphics[width=4cm]{sic_inverter_ise.eps} 
165  \end{picture}
166  
167  \begin{picture}(0,0)(-280,-20)
168   %\includegraphics[width=4cm]{cc_sic_brake_dlr.eps} 
169  \end{picture}
170  
171 \end{slide}
172
173 \begin{slide}
174
175  {\large\bf
176   Motivation
177  }
178
179  \vspace{8pt}
180
181  3C-SiC (\foreignlanguage{greek}{b}-SiC) /
182  6H-SiC (\foreignlanguage{greek}{a}-SiC)
183  \begin{itemize}
184   \item h"ohere Ladungstr"agerbeweglichkeit in \foreignlanguage{greek}{b}-SiC
185   \item Micropipes (Offene Kerne von Schraubenversetzungen) in c-Richtung
186         bei \foreignlanguage{greek}{a}-SiC
187   \item Herstellung gro"sfl"achiger einkristalliner 3C-SiC Filme
188         im Anfangsstudium
189  \end{itemize}
190
191  \vspace{16pt}
192
193  \begin{center}
194   {\color{red}
195   Genaues Verst"andnis des 3C-SiC-Ausscheidungsvorganges\\
196   }
197   $\Downarrow$\\ 
198   signifikanter technologischen Fortschritt in 3C-SiC D"unnschichtherstellung
199  \end{center}
200
201  \vspace{16pt}
202
203  Vermeidung von SiC-Ausscheidungen in
204  $\text{Si}_{\text{1-y}}\text{C}_{\text{y}}$ Legierungen
205
206  \begin{itemize}
207   \item Ma"sschneidern der elektronischen Eigenschaften von Si
208   \item gestreckte Heterostrukturen
209  \end{itemize}
210
211 \end{slide}
212
213 \begin{slide}
214
215  {\large\bf
216   Motivation bzw. SiC-Ausscheidungsvorgang
217  }
218
219  \vspace{64pt}
220
221  Noch was zur Herstellung rein ...
222
223 \end{slide}
224
225 \begin{slide}
226
227  {\large\bf
228   SiC-Ausscheidungsvorgang
229  }
230
231  \vspace{8pt}
232
233  {\bf Kristallstruktur und Einheitszelle:}
234  \begin{itemize}
235    \item kristallines Silizium (c-Si): Diamantstruktur\\
236          ${\color{si-yellow}\bullet}$, ${\color{gray}\bullet}$
237          $\leftarrow$ Si-Atome
238    \item kubisches SiC (3C-SiC): Zinkblende-Struktur\\
239          ${\color{si-yellow}\bullet} \leftarrow$ Si-Atome\\
240          ${\color{gray}\bullet} \leftarrow$ C-Atome
241  \end{itemize}
242  \vspace{8pt}
243  \begin{minipage}{8cm}
244  {\bf Gitterkonstanten:}
245  \[
246  4a_{\text{c-Si}}\approx5a_{\text{3C-SiC}}
247  \]
248  {\bf Siliziumdichten:}
249  \[
250  \frac{n_{\text{3C-SiC}}}{n_{\text{c-Si}}}=97,66\,\%
251  \]
252  \end{minipage}
253  \begin{minipage}{5cm}
254    \includegraphics[width=5cm]{sic_unit_cell.eps}         
255  \end{minipage}
256
257 \end{slide}
258
259  \small
260 \begin{slide}
261
262  {\large\bf
263   SiC-Ausscheidungsvorgang
264  }
265
266  \small
267  \vspace{6pt}
268
269  Vermuteter SiC-Ausscheidungsvorgang in Si:
270
271  \vspace{8pt}
272
273  \begin{minipage}{3.8cm}
274  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_01.eps}
275  \end{minipage}
276  \hspace{0.6cm}
277  \begin{minipage}{3.8cm}
278  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_02.eps}
279  \end{minipage}
280  \hspace{0.6cm}
281  \begin{minipage}{3.8cm}
282  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_03.eps}
283  \end{minipage}
284
285  \vspace{8pt}
286
287  \begin{minipage}{3.8cm}
288  Bildung von C-Si Dumbbells auf regul"aren c-Si Gitterpl"atzen
289  \end{minipage}
290  \hspace{0.6cm}
291  \begin{minipage}{3.8cm}
292  Anh"aufung hin zu gro"sen Clustern (Embryos)\\
293  \end{minipage}
294  \hspace{0.6cm}
295  \begin{minipage}{3.8cm}
296  Ausscheidung von 3C-SiC + Erzeugung von Si-Zwischengitteratomen\\
297  \end{minipage}
298
299  \vspace{12pt}
300
301  \begin{minipage}{7cm}
302  Experimentally observed [3]:
303  \begin{itemize}
304   \item Minimal diameter of precipitation: 4 - 5 nm
305   \item Equal orientation of Si and SiC (hkl)-planes
306  \end{itemize}
307  \end{minipage}
308  \begin{minipage}{6cm}
309  \vspace{32pt}
310  \hspace{16pt}
311   {\tiny [3] J. K. N. Lindner, Appl. Phys. A 77 (2003) 27.}
312  \end{minipage}
313
314 \end{slide}
315
316 \end{document}
317
318 \begin{slide}
319
320  {\large\bf
321   Simulation details
322  }
323
324  \small
325
326  {\bf MD basics:}
327  \begin{itemize}
328   \item Microscopic description of N particle system
329   \item Analytical interaction potential
330   \item Hamilton's equations of motion as propagation rule\\
331         in 6N-dimensional phase space
332   \item Observables obtained by time or ensemble averages
333  \end{itemize}
334  {\bf Application details:}
335  \begin{itemize}
336   \item Integrator: Velocity Verlet, timestep: $1\text{ fs}$
337   \item Ensemble: isothermal-isobaric NPT [4]
338         \begin{itemize}
339          \item Berendsen thermostat:
340                $\tau_{\text{T}}=100\text{ fs}$
341          \item Brendsen barostat:\\
342                $\tau_{\text{P}}=100\text{ fs}$,
343                $\beta^{-1}=100\text{ GPa}$
344         \end{itemize}
345   \item Potential: Tersoff-like bond order potential [5]
346         \[
347         E = \frac{1}{2} \sum_{i \neq j} \pot_{ij}, \quad
348         \pot_{ij} = f_C(r_{ij}) \left[ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) \right]
349         \]
350  \end{itemize}
351  {\tiny
352   [4] L. Verlet, Phys. Rev. 159 (1967) 98.}\\
353  {\tiny
354   [5] P. Erhart and K. Albe, Phys. Rev. B 71 (2005) 35211.}
355
356  \begin{picture}(0,0)(-240,-70)
357   \includegraphics[width=5cm]{tersoff_angle.eps} 
358  \end{picture}
359
360 \end{slide}
361
362 \begin{slide}
363
364  {\large\bf
365   Simulation sequence
366  }
367
368  \vspace{8pt}
369
370  Interstitial configurations:
371
372  \vspace{8pt}
373
374  \begin{pspicture}(0,0)(7,8)
375   \rput(3.5,7){\rnode{init}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=hb]{
376    \parbox{7cm}{
377    \begin{itemize}
378     \item Initial configuration: $9\times9\times9$ unit cells Si
379     \item Periodic boundary conditions
380     \item $T=0\text{ K}$, $p=0\text{ bar}$
381    \end{itemize}
382   }}}}
383 \rput(3.5,3.5){\rnode{insert}{\psframebox{
384  \parbox{7cm}{
385   Insertion of C / Si atom:
386   \begin{itemize}
387    \item $(0,0,0)$ $\rightarrow$ {\color{red}tetrahedral}
388          (${\color{red}\triangleleft}$)
389    \item $(-1/8,-1/8,1/8)$ $\rightarrow$ {\color{green}hexagonal}
390          (${\color{green}\triangleright}$)
391    \item $(-1/8,-1/8,-1/4)$, $(-1/4,-1/4,-1/4)$\\
392          $\rightarrow$ {\color{magenta}110 dumbbell}
393          (${\color{magenta}\Box}$,$\circ$)
394    \item random positions (critical distance check)
395   \end{itemize}
396   }}}}
397   \rput(3.5,1){\rnode{cool}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lbb]{
398    \parbox{3.5cm}{
399    Relaxation time: $2\, ps$
400   }}}}
401   \ncline[]{->}{init}{insert}
402   \ncline[]{->}{insert}{cool}
403  \end{pspicture}
404
405  \begin{picture}(0,0)(-210,-45)
406   \includegraphics[width=6cm]{unit_cell_s.eps}
407  \end{picture}
408
409 \end{slide}
410
411 \begin{slide}
412
413  {\large\bf
414   Results
415  } - Si self-interstitial runs
416
417  \small
418
419  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
420  \underline{Tetrahedral}\\
421  $E_f=3.41$ eV\\
422  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_tetra_0.eps}
423  \end{minipage}
424  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
425  \underline{110 dumbbell}\\
426  $E_f=4.39$ eV\\
427  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_dumbbell_0.eps}
428  \end{minipage}
429  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
430  \underline{Hexagonal} \hspace{4pt}
431  \href{../video/si_self_int_hexa.avi}{$\rhd$}\\
432  $E_f^{\star}\approx4.48$ eV (unstable!)\\
433  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_hexa_0.eps}
434  \end{minipage}
435
436  \underline{Random insertion}
437
438  \begin{minipage}{4.3cm}
439  $E_f=3.97$ eV\\
440  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_397_0.eps}
441  \end{minipage}
442  \begin{minipage}{4.3cm}
443  $E_f=3.75$ eV\\
444  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_375_0.eps}
445  \end{minipage}
446  \begin{minipage}{4.3cm}
447  $E_f=3.56$ eV\\
448  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_356_0.eps}
449  \end{minipage}
450
451 \end{slide}
452
453 \begin{slide}
454
455  {\large\bf
456   Results
457  } - Carbon interstitial runs
458
459  \small
460
461  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
462  \underline{Tetrahedral}\\
463  $E_f=2.67$ eV\\
464  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_tetra_0.eps}
465  \end{minipage}
466  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
467  \underline{110 dumbbell}\\
468  $E_f=1.76$ eV\\
469  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_dumbbell_0.eps}
470  \end{minipage}
471  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
472  \underline{Hexagonal} \hspace{4pt}
473  \href{../video/c_in_si_int_hexa.avi}{$\rhd$}\\
474  $E_f^{\star}\approx5.6$ eV (unstable!)\\
475  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_hexa_0.eps}
476  \end{minipage}
477
478  \underline{Random insertion}
479
480  \footnotesize
481
482 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
483    $E_f=0.47$ eV\\
484    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_001db_0.eps}
485    \begin{picture}(0,0)(-15,-3)
486     100 dumbbell
487    \end{picture}
488 \end{minipage}
489 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
490    $E_f=1.62$ eV\\
491    \includegraphics[width=3.2cm]{c_in_si_int_rand_162_0.eps}
492 \end{minipage}
493 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
494    $E_f=2.39$ eV\\
495    \includegraphics[width=3.1cm]{c_in_si_int_rand_239_0.eps}
496 \end{minipage}
497 \begin{minipage}[t]{3.0cm}
498    $E_f=3.41$ eV\\
499    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_rand_341_0.eps}
500 \end{minipage}
501
502 \end{slide}
503
504 \begin{slide}
505
506  {\large\bf
507   Results
508  } - <100> dumbbell configuration
509
510  \vspace{8pt}
511
512  \small
513
514  \begin{minipage}{4cm}
515  \begin{itemize}
516   \item $E_f=0.47$ eV
517   \item Very often observed
518   \item Most energetically\\
519         favorable configuration
520   \item Experimental\\
521         evidence [6]
522  \end{itemize}
523  \vspace{24pt}
524  {\tiny
525   [6] G. D. Watkins and K. L. Brower,\\
526       Phys. Rev. Lett. 36 (1976) 1329.
527  }
528  \end{minipage}
529  \begin{minipage}{8cm}
530  \includegraphics[width=9cm]{100-c-si-db_s.eps}
531  \end{minipage}
532
533 \end{slide}
534
535 \begin{slide}
536
537  {\large\bf
538   Simulation sequence
539  }
540
541  \small
542
543  \vspace{8pt}
544
545  SiC precipitation simulations:
546
547  \vspace{8pt}
548
549  \begin{pspicture}(0,0)(12,8)
550   % nodes
551   \rput(3.5,6.5){\rnode{init}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=hb]{
552    \parbox{7cm}{
553    \begin{itemize}
554     \item Initial configuration: $31\times31\times31$ unit cells Si
555     \item Periodic boundary conditions
556     \item $T=450\, ^{\circ}\text{C}$, $p=0\text{ bar}$
557     \item Equilibration of $E_{kin}$ and $E_{pot}$
558    \end{itemize}
559   }}}}
560   \rput(3.5,3.2){\rnode{insert}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lachs]{
561    \parbox{7cm}{
562    Insertion of 6000 carbon atoms at constant\\
563    temperature into:
564    \begin{itemize}
565     \item Total simulation volume {\pnode{in1}}
566     \item Volume of minimal SiC precipitation {\pnode{in2}}
567     \item Volume of necessary amount of Si {\pnode{in3}}
568    \end{itemize} 
569   }}}}
570   \rput(3.5,1){\rnode{cool}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lbb]{
571    \parbox{3.5cm}{
572    Cooling down to $20\, ^{\circ}C$
573   }}}}
574   \ncline[]{->}{init}{insert}
575   \ncline[]{->}{insert}{cool}
576   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=white](7.5,1.8)(13.5,7.8)
577   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=lightgray](9,3.3)(12,6.3)
578   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=gray](9.25,3.55)(11.75,6.05)
579   \rput(7.9,4.8){\pnode{ins1}}
580   \rput(9.22,4.4){\pnode{ins2}}
581   \rput(10.5,4.8){\pnode{ins3}}
582   \ncline[]{->}{in1}{ins1}
583   \ncline[]{->}{in2}{ins2}
584   \ncline[]{->}{in3}{ins3}
585  \end{pspicture}
586
587 \end{slide}
588
589 \begin{slide}
590
591  {\large\bf
592   Results
593  } - SiC precipitation runs
594
595
596  \includegraphics[width=6.3cm]{pc_si-c_c-c.eps}
597  \includegraphics[width=6.3cm]{pc_si-si.eps}
598
599  \begin{minipage}[t]{6.3cm}
600  \tiny
601     \begin{itemize}
602       \item C-C peak at 0.15 nm similar to next neighbour distance of graphite
603             or diamond\\
604             $\Rightarrow$ Formation of strong C-C bonds
605                           (almost only for high C concentrations)
606       \item Si-C peak at 0.19 nm similar to next neighbour distance in 3C-SiC
607       \item C-C peak at 0.31 nm equals C-C distance in 3C-SiC\\
608             (due to concatenated, differently oriented
609              <100> dumbbell interstitials)
610       \item Si-Si shows non-zero g(r) values around 0.31 nm like in 3C-SiC\\
611             and a decrease at regular distances\\
612             (no clear peak,
613              interval of enhanced g(r) corresponds to C-C peak width)
614     \end{itemize}
615  \end{minipage}
616  \begin{minipage}[t]{6.3cm}
617  \tiny
618    \begin{itemize}
619       \item Low C concentration (i.e. $V_1$):
620             The <100> dumbbell configuration
621             \begin{itemize}
622               \item is identified to stretch the Si-Si next neighbour distance
623                     to 0.3 nm
624               \item is identified to contribute to the Si-C peak at 0.19 nm
625               \item explains further C-Si peaks (dashed vertical lines)
626             \end{itemize}
627             $\Rightarrow$ C atoms are first elements arranged at distances
628                           expected for 3C-SiC\\
629             $\Rightarrow$ C atoms pull the Si atoms into the right
630                           configuration at a later stage
631       \item High C concentration (i.e. $V_2$ and $V_3$):
632             \begin{itemize}
633               \item High amount of damage introduced into the system
634               \item Short range order observed but almost no long range order
635             \end{itemize}
636             $\Rightarrow$ Start of amorphous SiC-like phase formation\\
637             $\Rightarrow$ Higher temperatures required for proper SiC formation
638     \end{itemize}
639  \end{minipage}
640
641 \end{slide}
642
643 \begin{slide}
644
645  {\large\bf
646   Very first results of the SiC precipitation runs
647  }
648
649  \begin{minipage}[t]{6.9cm}
650   \includegraphics[width=6.3cm]{../plot/sic_pc.ps}
651   \includegraphics[width=6.3cm]{../plot/foo_end.ps}
652   \hspace{12pt}
653  \end{minipage}
654  \begin{minipage}[c]{5.5cm}
655   \includegraphics[width=6.0cm]{sic_si-c-n.eps}
656  \end{minipage}
657
658 \end{slide}
659
660 \begin{slide}
661
662  {\large\bf
663   Summary / Outlook
664  }
665
666 \vspace{24pt}
667
668 \begin{itemize}
669  \item Importance of understanding the SiC precipitation mechanism
670  \item Interstitial configurations in silicon using the Albe potential
671  \item Indication of SiC precipitation
672 \end{itemize}
673
674 \vspace{24pt}
675
676 \begin{itemize}
677  \item Displacement and stress calculations
678  \item Refinement of simulation sequence to create 3C-SiC
679  \item Analyzing self-designed Si/SiC interface
680 \end{itemize}
681
682 \end{slide}
683
684 \end{document}
685