checkin
[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 \begin{slide}
260
261  {\large\bf
262   SiC-Ausscheidungsvorgang
263  }
264
265  \vspace{64pt}
266
267  Hier die aus experimentellen Untersuchungen heraus vermuteten
268  Ausscheidungsvorgaenge rein.
269
270 \end{slide}
271
272 \begin{slide}
273
274  {\large\bf
275   SiC-Ausscheidungsvorgang
276  }
277
278  \small
279
280  \vspace{6pt}
281
282  Vermuteter 3C-SiC-Ausscheidungsvorgang in c-Si:
283
284  \vspace{8pt}
285
286  \begin{minipage}{3.8cm}
287  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_01.eps}
288  \end{minipage}
289  \hspace{0.6cm}
290  \begin{minipage}{3.8cm}
291  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_02.eps}
292  \end{minipage}
293  \hspace{0.6cm}
294  \begin{minipage}{3.8cm}
295  \includegraphics[width=3.7cm]{sic_prec_seq_03.eps}
296  \end{minipage}
297
298  \vspace{8pt}
299
300  \begin{minipage}{3.8cm}
301  Bildung von C-Si Dumbbells auf regul"aren c-Si Gitterpl"atzen
302  \end{minipage}
303  \hspace{0.6cm}
304  \begin{minipage}{3.8cm}
305  Anh"aufung hin zu gro"sen Clustern (Embryos)\\
306  \end{minipage}
307  \hspace{0.6cm}
308  \begin{minipage}{3.8cm}
309  Ausscheidung von 3C-SiC + Erzeugung von Si-Zwischengitteratomen
310  \end{minipage}
311
312  \vspace{12pt}
313
314  Aus experimentellen Untersuchungen:
315  \begin{itemize}
316   \item kritischer Durchmesser einer Ausscheidung: 4 - 5 nm
317   \item gleiche Orientierung der c-Si and 3C-SiC (hkl)-Ebenen
318  \end{itemize}
319
320 \end{slide}
321
322 \begin{slide}
323
324  {\large\bf
325   Details der MD-Simulation
326  }
327
328  \vspace{12pt}
329  \small
330
331  {\bf MD-Grundlagen:}
332  \begin{itemize}
333   \item Mikroskopische Beschreibung eines N-Teilchensystems
334   \item Analytisches Wechselwirkungspotential
335   \item Numerische Integration der Newtonschen Bewegungsgleichung\\
336         als Propagationsvorschrift im 6N-dimensionalen Phasenraum
337   \item Observablen sind die Zeit- und/oder Ensemblemittelwerte
338  \end{itemize}
339  {\bf Details der Simulation:}
340  \begin{itemize}
341   \item Integration: Velocity Verlet, Zeitschritt: $1\text{ fs}$
342   \item Ensemble: NpT, isothermal-isobares Ensemble
343         \begin{itemize}
344          \item Berendsen Thermostat:
345                $\tau_{\text{T}}=100\text{ fs}$
346          \item Berendsen Barostat:\\
347                $\tau_{\text{P}}=100\text{ fs}$,
348                $\beta^{-1}=100\text{ GPa}$
349         \end{itemize}
350   \item Potential: Tersoff-"ahnliches 'bond order' Potential
351   \vspace*{12pt}
352         \[
353         E = \frac{1}{2} \sum_{i \neq j} \pot_{ij}, \quad
354         \pot_{ij} = f_C(r_{ij}) \left[ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) \right]
355         \]
356  \end{itemize}
357
358  \begin{picture}(0,0)(-230,-30)
359   \includegraphics[width=5cm]{tersoff_angle.eps} 
360  \end{picture}
361
362 \end{slide}
363
364 \begin{slide}
365
366  {\large\bf
367   Zwischengitter-Konfigurationen
368  }
369
370  \vspace{8pt}
371
372  Simulationssequenz:\\
373
374  \vspace{8pt}
375
376  \begin{pspicture}(0,0)(7,8)
377   \rput(3.5,7){\rnode{init}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=hb]{
378    \parbox{7cm}{
379    \begin{itemize}
380     \item initiale Konfiguration:\\
381           $9\times9\times9$ Einheitszellen c-Si
382     \item periodische Randbedingungen
383     \item $T=0\text{ K}$, $p=0\text{ bar}$
384    \end{itemize}
385   }}}}
386 \rput(3.5,3.5){\rnode{insert}{\psframebox{
387  \parbox{7cm}{
388   Einf"ugen der C/Si Atome:
389   \begin{itemize}
390    \item $(0,0,0)$ $\rightarrow$ {\color{red}tetraedrisch}
391          (${\color{red}\triangleleft}$)
392    \item $(-1/8,-1/8,1/8)$ $\rightarrow$ {\color{green}hexagonal}
393          (${\color{green}\triangleright}$)
394    \item $(-1/8,-1/8,-1/4)$, $(-1/4,-1/4,-1/4)$\\
395          $\rightarrow$ {\color{magenta}110 Dumbbell}
396          (${\color{magenta}\Box}$,$\circ$)
397    \item zuf"allige Position (Minimalabstand)
398   \end{itemize}
399   }}}}
400   \rput(3.5,1){\rnode{cool}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lbb]{
401    \parbox{3.5cm}{
402    Relaxation ($>2$ ps)
403   }}}}
404   \ncline[]{->}{init}{insert}
405   \ncline[]{->}{insert}{cool}
406  \end{pspicture}
407
408  \begin{picture}(0,0)(-210,-45)
409   \includegraphics[width=6cm]{unit_cell_s.eps}
410  \end{picture}
411
412 \end{slide}
413
414 \begin{slide}
415
416  {\large\bf
417   Zwischengitter-Konfigurationen
418  }
419
420  \small
421
422  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
423  \underline{Tetraedrisch}\\
424  $E_f=3.41$ eV\\
425  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_tetra_0.eps}
426  \end{minipage}
427  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
428  \underline{110 Dumbbell}\\
429  $E_f=4.39$ eV\\
430  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_dumbbell_0.eps}
431  \end{minipage}
432  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
433  \underline{Hexagonal} \hspace{4pt}
434  \href{../video/si_self_int_hexa.avi}{$\rhd$}\\
435  $E_f^{\star}\approx4.48$ eV (nicht stabil!)\\
436  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_hexa_0.eps}
437  \end{minipage}
438
439  \underline{zuf"allige Positionen}
440
441  \begin{minipage}{4.3cm}
442  $E_f=3.97$ eV\\
443  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_397_0.eps}
444  \end{minipage}
445  \begin{minipage}{4.3cm}
446  $E_f=3.75$ eV\\
447  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_375_0.eps}
448  \end{minipage}
449  \begin{minipage}{4.3cm}
450  $E_f=3.56$ eV\\
451  \includegraphics[width=3.8cm]{si_self_int_rand_356_0.eps}
452  \end{minipage}
453
454 \end{slide}
455
456 \begin{slide}
457
458  {\large\bf
459   Zwischengitter-Konfigurationen
460  }
461
462  \small
463
464  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
465  \underline{Tetraedrisch}\\
466  $E_f=2.67$ eV\\
467  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_tetra_0.eps}
468  \end{minipage}
469  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
470  \underline{110 Dumbbell}\\
471  $E_f=1.76$ eV\\
472  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_dumbbell_0.eps}
473  \end{minipage}
474  \begin{minipage}[t]{4.3cm}
475  \underline{Hexagonal} \hspace{4pt}
476  \href{../video/c_in_si_int_hexa.avi}{$\rhd$}\\
477  $E_f^{\star}\approx5.6$ eV (nicht stabil!)\\
478  \includegraphics[width=3.8cm]{c_in_si_int_hexa_0.eps}
479  \end{minipage}
480
481  \underline{zuf"allige Positionen}
482
483  \footnotesize
484
485 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
486    $E_f=0.47$ eV\\
487    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_001db_0.eps}
488    \begin{picture}(0,0)(-15,-3)
489     100 Dumbbell
490    \end{picture}
491 \end{minipage}
492 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
493    $E_f=1.62$ eV\\
494    \includegraphics[width=3.2cm]{c_in_si_int_rand_162_0.eps}
495 \end{minipage}
496 \begin{minipage}[t]{3.3cm}
497    $E_f=2.39$ eV\\
498    \includegraphics[width=3.1cm]{c_in_si_int_rand_239_0.eps}
499 \end{minipage}
500 \begin{minipage}[t]{3.0cm}
501    $E_f=3.41$ eV\\
502    \includegraphics[width=3.3cm]{c_in_si_int_rand_341_0.eps}
503 \end{minipage}
504
505 \end{slide}
506
507 \begin{slide}
508
509  {\large\bf
510   Zwischengitter-Konfigurationen
511  }
512
513  Das 100 Dumbbell
514
515  \vspace{8pt}
516
517  \small
518
519  \begin{minipage}{4cm}
520  \begin{itemize}
521   \item $E_f=0.47$ eV
522   \item Very often observed
523   \item Most energetically\\
524         favorable configuration
525   \item Experimental\\
526         evidence [6]
527  \end{itemize}
528  \vspace{24pt}
529  {\tiny
530   [6] G. D. Watkins and K. L. Brower,\\
531       Phys. Rev. Lett. 36 (1976) 1329.
532  }
533  \end{minipage}
534  \begin{minipage}{8cm}
535  \includegraphics[width=9cm]{100-c-si-db_s.eps}
536  \end{minipage}
537
538 \end{slide}
539
540 \begin{slide}
541
542  {\large\bf
543   Simulationen zum Ausscheidungsvorgang
544  }
545
546  \small
547
548  \vspace{8pt}
549
550  Simulationssequenz:\\
551
552  \vspace{8pt}
553
554  \begin{pspicture}(0,0)(12,8)
555   % nodes
556   \rput(3.5,6.5){\rnode{init}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=hb]{
557    \parbox{7cm}{
558    \begin{itemize}
559     \item initiale Konfiguration:\\
560           $31\times31\times31$ c-Si Einheitszellen
561     \item periodsche Randbedingungen
562     \item $T=450\, ^{\circ}\text{C}$, $p=0\text{ bar}$
563     \item "Aquilibrierung von $E_{\text{kin}}$ and $E_{\text{pot}}$
564    \end{itemize}
565   }}}}
566   \rput(3.5,3.2){\rnode{insert}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lachs]{
567    \parbox{7cm}{
568    Einf"ugen von 6000 C-Atomen bei konstanter Temperatur\\
569    \begin{itemize}
570     \item gesamte Simulationsvolumen {\pnode{in1}}
571     \item Volumen einer minimal SiC-Ausscheidung {\pnode{in2}}
572     \item Bereich der ben"otigten Si-Atome {\pnode{in3}}
573    \end{itemize} 
574   }}}}
575   \rput(3.5,1){\rnode{cool}{\psframebox[fillstyle=solid,fillcolor=lbb]{
576    \parbox{3.5cm}{
577    Abk"uhlen auf $20\, ^{\circ}\textrm{C}$
578   }}}}
579   \ncline[]{->}{init}{insert}
580   \ncline[]{->}{insert}{cool}
581   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=white](7.5,1.8)(13.5,7.8)
582   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=lightgray](9,3.3)(12,6.3)
583   \psframe[fillstyle=solid,fillcolor=gray](9.25,3.55)(11.75,6.05)
584   \rput(7.9,4.8){\pnode{ins1}}
585   \rput(9.22,4.4){\pnode{ins2}}
586   \rput(10.5,4.8){\pnode{ins3}}
587   \ncline[]{->}{in1}{ins1}
588   \ncline[]{->}{in2}{ins2}
589   \ncline[]{->}{in3}{ins3}
590  \end{pspicture}
591
592 \end{slide}
593
594 \end{document}
595
596 \begin{slide}
597
598  {\large\bf
599   Results
600  } - SiC precipitation runs
601
602
603  \includegraphics[width=6.3cm]{pc_si-c_c-c.eps}
604  \includegraphics[width=6.3cm]{pc_si-si.eps}
605
606  \begin{minipage}[t]{6.3cm}
607  \tiny
608     \begin{itemize}
609       \item C-C peak at 0.15 nm similar to next neighbour distance of graphite
610             or diamond\\
611             $\Rightarrow$ Formation of strong C-C bonds
612                           (almost only for high C concentrations)
613       \item Si-C peak at 0.19 nm similar to next neighbour distance in 3C-SiC
614       \item C-C peak at 0.31 nm equals C-C distance in 3C-SiC\\
615             (due to concatenated, differently oriented
616              <100> dumbbell interstitials)
617       \item Si-Si shows non-zero g(r) values around 0.31 nm like in 3C-SiC\\
618             and a decrease at regular distances\\
619             (no clear peak,
620              interval of enhanced g(r) corresponds to C-C peak width)
621     \end{itemize}
622  \end{minipage}
623  \begin{minipage}[t]{6.3cm}
624  \tiny
625    \begin{itemize}
626       \item Low C concentration (i.e. $V_1$):
627             The <100> dumbbell configuration
628             \begin{itemize}
629               \item is identified to stretch the Si-Si next neighbour distance
630                     to 0.3 nm
631               \item is identified to contribute to the Si-C peak at 0.19 nm
632               \item explains further C-Si peaks (dashed vertical lines)
633             \end{itemize}
634             $\Rightarrow$ C atoms are first elements arranged at distances
635                           expected for 3C-SiC\\
636             $\Rightarrow$ C atoms pull the Si atoms into the right
637                           configuration at a later stage
638       \item High C concentration (i.e. $V_2$ and $V_3$):
639             \begin{itemize}
640               \item High amount of damage introduced into the system
641               \item Short range order observed but almost no long range order
642             \end{itemize}
643             $\Rightarrow$ Start of amorphous SiC-like phase formation\\
644             $\Rightarrow$ Higher temperatures required for proper SiC formation
645     \end{itemize}
646  \end{minipage}
647
648 \end{slide}
649
650 \begin{slide}
651
652  {\large\bf
653   Very first results of the SiC precipitation runs
654  }
655
656  \begin{minipage}[t]{6.9cm}
657   \includegraphics[width=6.3cm]{../plot/sic_pc.ps}
658   \includegraphics[width=6.3cm]{../plot/foo_end.ps}
659   \hspace{12pt}
660  \end{minipage}
661  \begin{minipage}[c]{5.5cm}
662   \includegraphics[width=6.0cm]{sic_si-c-n.eps}
663  \end{minipage}
664
665 \end{slide}
666
667 \begin{slide}
668
669  {\large\bf
670   Summary / Outlook
671  }
672
673 \vspace{24pt}
674
675 \begin{itemize}
676  \item Importance of understanding the SiC precipitation mechanism
677  \item Interstitial configurations in silicon using the Albe potential
678  \item Indication of SiC precipitation
679 \end{itemize}
680
681 \vspace{24pt}
682
683 \begin{itemize}
684  \item Displacement and stress calculations
685  \item Refinement of simulation sequence to create 3C-SiC
686  \item Analyzing self-designed Si/SiC interface
687 \end{itemize}
688
689 \end{slide}
690
691 \end{document}
692