\chapter{Simulation}
+ Im Folgenden soll die Implementation der Monte-Carlo-Simulation nach dem vorangegangen Modell diskutiert werden.
+ Die Simulation tr"agt den Namen {\em NLSOP}, was kurz f"ur die Schlagw"orter {\bf N}ano, {\bf L}amelle und {\bf S}elbst{\bf O}ragnisations{\bf P}rozess steht.
+ Ziel der Simulation ist die Verifizierung des Modells anhand der experimentellen Ergebnisse die in Abbildung \ref{img:xtem_img} vorliegen.
+ Die genauen Daten sind:
+ \begin{itemize}
+ \item Energie: $E=180 keV$
+ \item Dosis: $D = 4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$
+ \item Temperatur: $T = 150 ^{\circ} \mathrm{C}$
+ \item Imlantationswinkel: $\alpha = 7 ^{\circ}$
+ \item Ion/Target Kombination: $C^+ \rightarrow Si (100)$
+ \end{itemize}
+ Anzumerken ist, dass es zwei Versionen der Simulation gibt, die unterschiedliche Tiefenbereiche abdecken.
+ Diese unterscheiden sich in einigen Punkten, was den Simualtionsalgorithmus betrifft.
+ Darauf wird in einem gesonderten Abschnitt genauer eingegangen.
+ Der Simulationsalgorithmus wird erkl"art und die dazu ben"otigten Annahmen und Informationen aus {\em TRIM} Ergebnissen werden besprochen.
+ Das Kapitel schliesst mit dem Test der verwendeten Zufallszahlen und dem Ablaufschema der Simulation.
+
\section{Annahmen der Simulation}
+ \subsection{Unterteilung des Targets}
+ \label{subsection:unterteilung}
+
+ Wie in Abbildung \ref{img:sim_gitter} zu sehen ist, wird das Target in W"urfel mit Seitenl"ange $a = 3 nm$ zerlegt.
+ \begin{figure}[h]
+ \includegraphics[width=12cm]{gitter_oZ.eps}
+ \caption{Unterteilung des Targets in W"urfel mit $3 nm$ Kantenl"ange. Jedes Volumen ist entwerder amorph (rot) oder kristallin (blau) und protokolliert die lokale Kohelnstoffkonzentration}
+ \label{img:sim_gitter}
+ \end{figure}
+ Die Anzahl der W"urfel in $x$, $y$ und $z$ Richtung sind frei einstellbar.
+ Ein solches Volumen kann durch den Ortsvektor $\vec{r}(k,l,m)$, wobei $k$, $l$ und $m$ ganze Zahlen sind, addressiert werden.
+ Jeder W"urfel hat entweder den Zustand amorph (rot) oder ist kristallin (blau).
+ Die lokale Anzahl der implantierten Kohlenstoffatome wird ebenfalls protokolliert.
+
\subsection{Amorphisierung und Rekristallisation}
+ \label{subsection:a_and_r}
+
+ Nach dem in Kapitel \ref{chapter:modell} vorgestellten Modell gibt es drei zur Amorphisierung beitragende Mechanismen.
+ Eine lokale Wahrscheinlichkeit f"ur die Aamorphisierung $p_{c \rightarrow a}$ eines beliebigen kristallinen Volumens $\vec{r}$ setzt sich aus den drei Einzelwahrscheinlichkeiten f"ur die
+ \begin{itemize}
+ \item \textcolor[rgb]{0,1,1}{ballistische}
+ \item \textcolor{red}{kohlenstoffinduzierte}
+ \item \textcolor[rgb]{0.5,0.25,0.12}{spannungsinduzierte}
+ \end{itemize}
+ Amorphisierung zusammen.
+ Sie wird wie folgt berechnet:
+ \begin{equation}
+ p_{c \rightarrow a}(\vec r) = \textcolor[rgb]{0,1,1}{p_{b}} + \textcolor{red}{p_{c} \, c_{Kohlenstoff}(\vec r)} + \textcolor[rgb]{0.5,0.25,0.12}{\sum_{amorphe \, Nachbarn} \frac{p_{s} \, c_{Kohlenstoff}(\vec{r'})}{(\vec r - \vec{r'})^2}}
+ \label{eq:p_ca_local}
+ \end{equation}
+
+ Die ballistische Amorphisierung besteht nur aus der Konstanten $p_b$.
+ Sie ist unabh"angig vom Ort und somit ein konstanter Beitrag f"ur jedes Volumen.
+ Sie hat keine Einheit.
+ Wieso dieser Beitrag in dieser Art sinnvoll ist, wird in Abschnitt \ref{subsection:parse_trim_coll} gekl"art.
+
+ Die Wahrscheinlichkeit f"ur die kohlenstoffinduzierte Amorphisierung wird proportional zur lokalen Kohlenstoffkonzentration $c_{Kohlenstoff}$ angenommen.
+ $p_c$ ist die dazugeh"orige Proportionalit"atskosntante und hat demnach die Einheit $[p_c] = m^3$.
+ Der Beitrag der Druckspannungen setzt sich aus den einzelnen Beitr"agen amorpher Gebiete in der selben Ebene, da nur diese Spannungen aus"uben, zusammen.
+ Dabei ist der Wahrscheinlichkeitsbeitrag eines amorphen Volumens $\vec{r'}$ auf das Volumen $\vec{r}$ wieder proprtional zur lokalen Kohlenstoffkonzentration in $\vec{r'}$.
+ Dies ist offensichtlich, denn je mehr Kohlenstoff in dem Volumen, das auf Grund der Dichtereduktion in dem amoprhen Gebiet vorhanden ist, desto groesser die ausgehende Spannung auf die Umgebung.
+ Gleichzeitig ist der Beitrag indirekt proportional zum Abstandsquadrat $(\vec r - \vec{r'})^2$, da der Druck (Druck = Kraft pro Fl"ache) quadratisch mit der Entfernung abf"allt.
+ $p_s$ ist wieder Proportionalit"atskonstante und hat somit die Einheit $[p_s] = m^5$.
+
+ Die Rekristallisationswahrscheinlichkeit amorpher Gebiete $p_{a \rightarrow c}$ sollte sich genau entgegensetzt zu $p_{c \rightarrow a}$ verhalten und wird deshalb als
+ \begin{equation}
+ p_{a \rightarrow c}(\vec r) = 1 - p_{c \rightarrow a}(\vec r)
+ \label{eq:p_ac_local}
+ \end{equation}
+ angenommen.
+ Jedoch muss die direkte Nachbarschaft des Volumens ber"ucksichtigt werden.
+ F"ur die Rekristallisation ist Strukturinformation krsitalliner Nachbarschaft notwendig.
+ Mit einer zunehmenden Anzahl von amorphen Nachbarn sollte die Rekristallisationswahrscheinlichkeit also sukzessive abnehmen und ganz verschwinden wenn kein einziger kristalliner Nachabr vorhanden ist.
+ Mit der im Abschnitt \ref{subsection:unterteilung} beschriebenen Unterteilung hat ein Volumen genau sechs Angriffsfl"achen die als Rekristallisationsfront dienen k"onnen.
+ Damit kann man \eqref{eq:p_ac_local} neu schreiben und man erh"alt:
+ \begin{equation}
+ p_{a \rightarrow c}(\vec r) = (1 - p_{c \rightarrow a}(\vec r)) \Big(1 - \frac{\sum_{direkte \, Nachbarn} \delta (\vec{r'})}{6} \Big) \, \textrm{,}
+ \label{eq:p_ac_genau}
+ \end{equation}
+ mit
+ \begin{equation}
+ \delta (\vec r) = \left\{
+ \begin{array}{ll}
+ 1 & \textrm{wenn Gebiet bei $\vec r$ amorph} \\
+ 0 & \textrm{sonst} \\
+ \end{array}
+ \right.
+ \label{eq:dedltafunc}
+ \end{equation}
+
+ Die Proportionalit"atskonstanten $p_b$, $p_c$ und $p_s$ sind frei w"ahlbare Simulationsparameter.
+ Es gilt somit einen Satz von Parametern zu finden, der die gr"o"stm"oglichste "Ubereinstimmung von Simulationsergebiss und dem experimentell gefundenen Ergebniss aus Abbildung \ref{img:xtem_img} zeigt.
+ Durch Variation der gefundenen Parameter k"onnen dann die unterschiedlichen Einfl"usse der verschiedenen Amorphisierungsmechanismen untersucht und der Selbstorganisationsprozess verstanden werden.
+
\subsection{Diffusion}
+ Weiterhin sieht das Modell die M"oglichkeit der Diffusion von Kohelnstoff aus kristallinen in umliegende amorphe Volumina vor.
+ Die Diffusion wird durch zwei weitere Parameter beschrieben.
+ In Zeitintervallen $T_{Diff}$ wird ein Anteil $d_r$ des Kohlenstoffs eines kristallinen Volumens in das benachbarte amorphe Volumen transferiert.
+ Da von einem konstanten Strahlstrom ausgegangen wird, kann die Zeit $T_{Diff}$ auf eine Anzahl von implantierten Ionen $d_v$ abgebildet werden.
+ Die Diffusion des Kohlenstoffs von amorphe in kristalline Gebiete wird also durch die zwei Parameter $d_r$ und $d_v$ gesteuert.
+ Die Parameter sind ebenfalls frei w"ahlbar.
+ Diffusion innerhalb kristalliner Gebiete sowie Diffusion innerhalb amorpher Gebiete wird ausgeschlossen.
+
\subsection{Sputtern}
+ Es wird von einer, "uber der Oberfl"ache gleichm"assig verteilten und w"ahrend des Implantationsvorgangs konstanten Sputterrate ausgegangen.
+ Auf Grund der Unterteilung des Targets in W"urfel mit Seitenl"ange $3 nm$ muss diese Sputterrate in der Dosis, welche $3 nm$ sputtert, angegeben werden.
+ Jedesmal, nachdem das Programm diese Dosis durchlaufen hat, wird die Sputter-Routine aufgerufen, welche die oberste Targetebene abtr"agt.
+
\section{Auswertung von {\em TRIM} Ergebnissen}
+ Da bereits Programme wie {\em TRIM} die Wechelswirkung der Ionen mit dem Target simulieren und somit ein geeignetes Bremskraft- und Implantationsprofil sowie eine genaue Buchf"uhrung "uber die Sto"skaskaden bereitstellen, wird auf diese Schritte in der Simulation aus Zeitgr"unden verzichtet.
+ Stattdessen werden die von {\em TRIM} erzeugten Statistiken verwendet.
+ Durch die Abbildung von Zufallszahlen auf die so erhaltenen Verteilungen, k"onnen die eigentlichen physikalischen Abl"aufe sehr schnell und einfach behandelt werden.
+ Im Folgenden wird auf die Ermittlung einiger, f"ur {\em NLSOP} wichtige, Statistiken eingegangen.
+
\subsection{Implantationsprofil und nukleare Bremskraft}
+ \begin{figure}[h]
+ \includegraphics[width=12cm]{2pTRIM180C.eps}
+ \caption{Von {\em TRIM} ermittelte Reichweitenverteilung und tiefenabh"angige Bremskr"afte f"ur $180 keV$ $C^+ \rightarrow Si$}
+ \label{img:bk_impl_p}
+ \end{figure}
+ Abbildung \ref{img:bk_impl_p} zeigt die von {\em TRIM} ermittelte nukleare und elektronische Bremskraft sowie das Kohlenstoffkonzentrationsprofil f"ur die in dieser Arbeit verwendeten Parameter.
+ Die gestrichelte Linie markiert das Implantationsmaximum.
+ Sputtereffekte und Abweichungne auf Grund der kontinuierlich ver"anderten Targetzusammensetzung w"ahrend der Hochdosisimplantation werden hier allerdings nicht ber"ucksichtigt.
+
+ Die Profile werden von {\em TRIM} selbst in seperate Dateien geschrieben.
+ Tauscht man die Kommata (Trennung von Ganzzahl und Kommastelle) durch Punkte aus, so kann {\em NLSOP} diese Dateien auslesen und die Profile extrahieren.
+
\subsection{Durchschnittliche Anzahl der St"o"se der Ionen und Energieabgabe}
+ \label{subsection:parse_trim_coll}
- \section{Simulierte Tiefenbereiche}
+ Weiterhin legt {\em TRIM} eine Datei Namens {\em COLLISION.TXT} an, in der s"amtliche durch jedes Ion verursachte Sto"skaskaden protokolliert sind.
+ Zu jedem Sto"s sind Koordinaten und Energie"ubertrag angegeben.
+ Mit einem zur {\em NLSOP} Suite geh"orendem Programm kann diese Datei ausgewertet werden.
+ Die Daraus gewonnen Ekenntnisse sollen im Folgenden diskutiert werden.
+
+ \begin{figure}[h]
+ \includegraphics[width=12cm]{trim_coll.eps}
+ \caption{Auf das Maximum 1 skalierte tiefenabh"angige Energieabgabe (blau) und Anzahl der Kollisionen (rot)}
+ \label{img:trim_coll}
+ \end{figure}
+ Abbildung \ref{img:trim_coll} zeigt die Energieabgabe und Anzahl der St"o"se von Ionen und Recoils in Abh"angigkeit der Tiefe.
+ Beide Graphen wurden auf das selbe Maximum skaliert.
+ Man erkennt, dass diese nahezu identisch sind.
+ Die durchschnittliche Energieabgabe durch einen Sto"s ist also ungef"ahr konstant und unabh"angig von der Tiefe.
+ Dies ist der Grund f"ur die Wahl eines konstanten Beitrags der ballistischen Amorphisierung in Abschnitt \ref{subsection:a_and_r}.
+ Jeder Sto"s "ubertr"agt durchschnittlich einen konstanten Energiebetrag im Falle einer Kollision, und tr"agt somit einen konstanten Anteil zur Amoprhisierungswahrscheinlichkeit bei.
+
+ Desweiteren ist nun die Wahrscheinlichkeit f"ur eine Kollision in einer bestimmten Tiefe bekannt.
+ Sie entspricht der nuklearen Bremskraft.
+
+ \begin{figure}[h]
+ \includegraphics[width=12cm]{trim_nel.eps}
+ \caption{Durch {\em TRIM} berechneter nuklearer Energieverlust f"ur $180 keV$ $C^+ \rightarrow Si$}
+ \label{img:trim_nel}
+ \end{figure}
+ Zum Vergleich zeigt Abbildung \ref{img:trim_nel} die von {\em TRIM} selbst berechnete nukleare Bremskraft.
+ Wie zu erwarten entspricht sie ungef"ahr dem Verlauf der in Abbildung \ref{img:trim_coll} gezeigten Energieabgab.
+ Der Unterschied liegt daran, dass letzteres Profil durch eine gr"ossere Anzahl von {\em TRIM}-Simulationsschritten ermittelt wurde.
+ Dieses Profil wird f"ur {\em NLSOP} benutzt.
+
+ Ein implantiertes Ion und dadurch entstandene Recoils verursachen jedoch mehr als nur eine Kollision mit den Targetatomen bis es zur Ruhe kommt.
+ Nach dem Auswertungsprogramm hat ein Ion durchschnittlich eine Anzahl von $1088$ Kollisionen bei den gegebenen Bedingungen zur Folge.
+ Die Zahl der getroffenen W"urfel, also Volumina in denen ein Ion mindestens eine Kollision verursacht, ist sehr viel geringer.
+ Das Auswertungsprogramm z"ahlt durchschnittlich $75$ getroffene Volumina pro implantierten Ion.
+ Genauer gesagt z"ahlt das Programm die Anzahl der Ebenen mit $3 nm$ H"ohe in denen Kollisionen verursacht werden.
+ Teilchenbahnen die parallel zur Targetoberfl"ache verf"alschen diese Zahl also.
+ Ausserdem werden mehrmalige Durchl"aufe der Ebenen nicht mitgez"ahlt.
+ Man sollte weiterhin beachten, dass Volumina in denen selbst nur eine Kollision stattfindet mitgez"ahlt werden, was allerdings nur sehr unwahrscheinlich zur Amorphisierung f"uhren wird.
+ Daher wird eine Trefferzahl von $h=100$ f"ur die Simulation angenommen.
\section{Simulationsalgorithmus}
+ Die Simulation kann in drei Abschnitte geliedert werden.
+ Die beschriebenen Prozeduren werden sequentiell abgearbeitet und beliebig oft durchlaufen.
+
+ Wenn pro Durchlauf die Anzahl der simulierten Sto"skaskaden gleich der Anzahl der getroffenen Volumina ist, so entspricht ein Durchlauf genau einem implantierten Ion.
+ Im Folgenden sei die Anzahl der W"urfel in $x$ und $y$ Richtung $X$ und $Y$.
+ Eine Anzahl von $N$ Durchl"aufen ist damit "aquivalent zur Dosis $D$, die wie folgt gegeben ist:
+ \begin{equation}
+ D = \frac{N}{XY(3 nm)^2} \, \textrm{.}
+ \end{equation}
+
\subsection{Amorphisierung und Rekristallisation}
+ Im ersten Schritt sollen die Kollisionen und die daraus resultierende Amorphisierung beziehungsweise Rekristallisation simuliert werden.
+ Zun"achst muss das gestossene Volumen ausgew"ahlt werden.
+ Dazu wird mit Hilfe der Verwerfungsmethode aus Abschnitt \ref{subsubsection:verwerf_meth} eine Zufallszahl $z$ entsprechend der nuklearen Bremskraft ausgew"urfelt.
+ Die
+
\subsection{Einbau des implantierten Kohlenstoffs ins Target}
\subsection{Diffusion und Sputtern}
+ \section{Simulierte Tiefenbereiche}
+
+ \section{Test der Zufallszahlen}
+
\section{Ablaufschema}
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