1 and 100 fs t c for B thermo ...
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index 282cfcd..1897e4f 100644 (file)
@@ -27,7 +27,7 @@
 
 \begin{abstract}
 Atomistic simulations on the silicon carbide precipitation in bulk silicon employing both, classical potential and first-principles methods are presented.
-For the quantum-mechanical treatment basic processes assumed in the precipitation process are mapped to feasible systems of small size.
+For the quantum-mechanical treatment basic processes assumed in the precipitation process are calculated in feasible systems of small size.
 Results of the accurate first-principles calculations on defects and carbon diffusion in silicon are compared to results of classical potential simulations revealing significant limitations of the latter method.
 An approach to work around this problem is proposed.
 Finally results of the classical potential molecular dynamics simulations of large systems are discussed.
@@ -48,7 +48,7 @@ Different modifications of SiC exist, which solely differ in the one-dimensional
 Different polytypes exhibit different properties, in which the cubic phase of SiC (3C-SiC) shows increased values for the thermal conductivity and breakdown field compared to other polytypes\cite{wesch96}, which is, thus, most effective for high-performance electronic devices.
 Much progress has been made in 3C-SiC thin film growth by chemical vapor deposition (CVD) and molecular beam epitaxy (MBE) on hexagonal SiC\cite{powell90,fissel95,fissel95_apl} and Si\cite{nishino83,nishino87,kitabatake93,fissel95_apl} substrates.
 However, the frequent occurrence of defects such as twins, dislocations and double position boundaries remains a challenging problem. 
-Next to these methods, high-dose carbon implantation into crystalline silicon (c-Si) with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si\cite{borders71}.
+Apart from these methods, high-dose carbon implantation into crystalline silicon (c-Si) with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si\cite{borders71}.
 Utilized and enhanced, ion beam synthesis (IBS) has become a promising method to form thin SiC layers of high quality and exclusively of the 3C polytype embedded in and epitactically aligned to the Si host featuring a sharp interface\cite{lindner99,lindner01,lindner02}.
 
 However, only little is known about the SiC conversion in C implanted Si.
@@ -60,7 +60,8 @@ Coherency is lost once the increasing strain energy of the stretched SiC structu
 These two different mechanisms of precipitation might be attributed to the respective method of fabrication.
 While in CVD and MBE surface effects need to be taken into account, SiC formation during IBS takes place in the bulk of the Si crystal.
 However, in another IBS study Nejim et~al.\cite{nejim95} propose a topotactic transformation that is likewise based on the formation of substitutional C.
-The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and concurrently by a reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
+%The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and concurrently by a reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
+The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and a concurrent reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
 Both processes are believed to compensate one another.
 
 Solving this controversy and understanding the effective underlying processes will enable significant technological progress in 3C-SiC thin film formation driving the superior polytype for potential applications in high-performance electronic device production.
@@ -76,7 +77,8 @@ Until recently\cite{lucas10}, a parametrization to describe the C-Si multicompon
 All these potentials are short range potentials employing a cut-off function,  which drops the atomic interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
 In a combined ab initio and empirical potential study it was shown that the Tersoff potential properly describes binding energies of combinations of C defects in Si\cite{mattoni2002}.
 However, investigations of brittleness in covalent materials\cite{mattoni2007} identified the short range character of these potentials to be responsible for overestimated forces necessary to snap the bond of two neighbored atoms.
-In a previous study\cite{zirkelbach10a} we approved explicitly the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
+%In a previous study\cite{zirkelbach10a} we approved explicitly the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
+In a previous study\cite{zirkelbach10a} we determined the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
 Using the Erhart/Albe (EA) potential\cite{albe_sic_pot}, an overestimated barrier height compared to ab initio calculations and experiment is obtained.
 A proper description of C diffusion, however, is crucial for the problem under study.
 
@@ -101,15 +103,16 @@ Reproducing the SiC precipitation was attempted by the successive insertion of 6
 At constant temperature 10 atoms were inserted at a time.
 Three different regions within the total simulation volume were considered for a statistically distributed insertion of the C atoms: $V_1$ corresponding to the total simulation volume, $V_2$ corresponding to the size of the precipitate and $V_3$, which holds the necessary amount of Si atoms of the precipitate.
 After C insertion the simulation has been continued for \unit[100]{ps} and is cooled down to \unit[20]{$^{\circ}$C} afterwards.
-A Tersoff-like bond order potential by Erhart and Albe (EA)\cite{albe_sic_pot} has been utilized, which accounts for nearest neighbor interactions only realized by a cut-off function dropping the interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
+A Tersoff-like bond order potential by Erhart and Albe (EA)\cite{albe_sic_pot} has been utilized, which accounts for nearest neighbor interactions realized by a cut-off function dropping the interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
 The potential was used as is, i.e. without any repulsive potential extension at short interatomic distances.
 Constant pressure simulations are realized by the Berendsen barostat\cite{berendsen84} using a time constant of \unit[100]{fs} and a bulk modulus of \unit[100]{GPa} for Si.
-The temperature is kept constant by the Berendsen thermostat\cite{berendsen84} with a time constant of \unit[100]{fs}.
-Integration of the equations of motion is realized by the velocity Verlet algorithm\cite{verlet67} and a fixed time step of \unit[1]{fs}.
-For structural relaxation of defect structures the same algorithm is used with the temperature set to 0 K.
+The temperature was kept constant by the Berendsen thermostat\cite{berendsen84} with a time constant of \unit[100]{fs}.
+Integration of the equations of motion was realized by the velocity Verlet algorithm\cite{verlet67} and a fixed time step of \unit[1]{fs}.
+For structural relaxation of defect structures the same algorithm was used with the temperature set to 0 K.
 
 The formation energy $E-N_{\text{Si}}\mu_{\text{Si}}-N_{\text{C}}\mu_{\text{C}}$ of a defect configuration is defined by choosing SiC as a particle reservoir for the C impurity, i.e. the chemical potentials are determined by the cohesive energies of a perfect Si and SiC supercell after ionic relaxation.
 Migration and recombination pathways have been investigated utilizing the constraint conjugate gradient relaxation technique\cite{kaukonen98}.
+Time constants of \unit[1]{fs}, which corresponds to direct velocity scaling, and \unit[100]{fs}, which results in weaker coupling to the heat bath allowing the diffusing atoms to take different pathways, were used for the Berendsen thermostat for structural relaxation within the migration calculations.
 
 \section{Results}
 
@@ -125,7 +128,7 @@ Table~\ref{tab:defects} summarizes the formation energies of relevant defect str
  Erhart/Albe & 3.88 & 0.75 & 5.18 & 5.59$^*$ & 4.39 & 3.40
 \end{tabular}
 \end{ruledtabular}
-\caption{Formation energies of C and Si point defects in c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volt. T denotes the tetrahedral and BC the bond-centered configuration. Subscript i and s indicates the interstitial and substitutional configuration. Dumbbell configurations are abbreviated by DB. Formation energies for unstable configurations obtained by classical potential MD are marked by an asterisk and determined by using the low kinetic energy configuration shortly before the relaxation into the more favorable configuration starts.}
+\caption{Formation energies of C and Si point defects in c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volts. T denotes the tetrahedral and BC the bond-centered configuration. Subscript i and s indicates the interstitial and substitutional configuration. Dumbbell configurations are abbreviated by DB. Formation energies for unstable configurations obtained by classical potential MD are marked by an asterisk and determined by using the low kinetic energy configuration shortly before the relaxation into the more favorable configuration starts.}
 \label{tab:defects}
 \end{table*}
 Although discrepancies exist, both methods depict the correct order of the formation energies with regard to C defects in Si.
@@ -143,7 +146,7 @@ For both configurations EA overestimates the energy of formation by approximatel
 Thus, nearly the same difference in energy has been observed for these configurations in both methods.
 However, we have found the BC configuration to constitute a saddle point within the EA description relaxing into the \hkl<1 1 0> configuration.
 Due to the high formation energy of the BC defect resulting in a low probability of occurrence of this defect, the wrong description is not posing a serious limitation of the EA potential.
-A more detailed discussion of C defects in Si modeled by EA and DFT including further defect configurations are presented in a previous study\cite{zirkelbach10a}.
+A more detailed discussion of C defects in Si modeled by EA and DFT including further defect configurations can be found in our recently published article\cite{zirkelbach10a}.
 
 Regarding intrinsic defects in Si, both methods predict energies of formation that are within the same order of magnitude.
 However discrepancies exist.
@@ -161,7 +164,7 @@ While not completely rendering impossible further, more challenging empirical po
 \subsection{Formation energies of C$_{\text{i}}$ and C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$}
 
 As has been shown in a previous study\cite{zirkelbach10b}, the energetically most favorable configuration of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ is obtained for C$_{\text{s}}$ located at the neighbored lattice site along the \hkl<1 1 0> bond chain of a Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB.
-However the energy of formation is slightly higher than that of the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, which constitutes the ground state for a C impurity introduced into otherwise perfect c-Si.
+However, the energy of formation is slightly higher than that of the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, which constitutes the ground state for a C impurity introduced into otherwise perfect c-Si.
 
 For a possible clarification of the controversial views on the participation of C$_{\text{s}}$ in the precipitation mechanism by classical potential simulations, test calculations need to ensure the proper description of the relative formation energies of combined structures of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ compared to C$_{\text{i}}$.
 This is particularly important since the energy of formation of C$_{\text{s}}$ is drastically underestimated by the EA potential.
@@ -180,7 +183,7 @@ Results of VASP and EA calculations are summarized in Table~\ref{tab:defect_comb
  Erhart/Albe & 3.88 & 4.93 & 5.25$^{\text{a}}$/5.08$^{\text{b}}$/4.43$^{\text{c}}$
 \end{tabular}
 \end{ruledtabular}
-\caption{Formation energies of defect configurations of a single C impurity in otherwise perfect c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volt. T denotes the tetrahedral and the subscripts i and s indicate the interstitial and substitutional configuration. Superscripts a, b and c denote configurations of C$_{\text{s}}$ located at the first, second and third nearest neighbored lattice site with respect to the Si$_{\text{i}}$ atom.}
+\caption{Formation energies of defect configurations of a single C impurity in otherwise perfect c-Si determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in electron volts. T denotes the tetrahedral and the subscripts i and s indicate the interstitial and substitutional configuration. Superscripts a, b and c denote configurations of C$_{\text{s}}$ located at the first, second and third nearest neighbored lattice site with respect to the Si$_{\text{i}}$ atom.}
 \label{tab:defect_combos}
 \end{table}
 Obviously the EA potential properly describes the relative energies of formation.
@@ -208,11 +211,11 @@ For the latter case a migration path, which involves a C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0
 \begin{center}
 \includegraphics[width=\columnwidth]{110mig.ps}
 \end{center}
-\caption{Migration barrier and structures of the \hkl[0 0 -1] DB (left) to the \hkl[0 -1 0] DB (right) transition involving the \hkl[1 1 0] DB (center) configuration.}
+\caption{Migration barrier and structures of the \hkl[0 0 -1] DB (left) to the \hkl[0 -1 0] DB (right) transition involving the \hkl[1 1 0] DB (center) configuration. Migration simulations were performed utilizing time constants of \unit[1]{fs} (solid line) and \unit[100]{fs} (dashed line) for the Berendsen thermostat.}
 \label{fig:mig}
 \end{figure}
 Approximately \unit[2.24]{eV} are needed to turn the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB into the C$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB located at the neighbored lattice site in \hkl[1 1 -1] direction.
-Another barrier of \unit[0.90]{eV} exists for the rotation into the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 -1 0] DB configuration.
+Another barrier of \unit[0.90]{eV} exists for the rotation into the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 -1 0] DB configuration for the path obtained with a time constant of \unit[100]{fs} for the Berendsen thermostat.
 Roughly the same amount would be necessary to excite the C$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB to the BC configuration (\unit[0.40]{eV}) and a successive migration into the \hkl[0 0 1] DB configuration (\unit[0.50]{eV}) as displayed in our previous study\cite{zirkelbach10a}.
 The former diffusion process, however, would more nicely agree with the ab initio path, since the migration is accompanied by a rotation of the DB orientation.
 By considering a two step process and assuming equal preexponential factors for both diffusion steps, the probability of the total diffusion event is given by $\exp(\frac{\unit[2.24]{eV}+\unit[0.90]{eV}}{k_{\text{B}}T})$, which corresponds to a single diffusion barrier that is 3.5 times higher than the barrier obtained by ab initio calculations.
@@ -306,7 +309,7 @@ Arrows with dashed lines mark C-C distances resulting from C$_{\text{i}}$ \hkl<1
 The continuous dashed line corresponds to the distance of C$_{\text{s}}$ and a neighbored C$_{\text{i}}$ DB.
 Obviously, the shift of the peak is caused by the advancing transformation of the C$_{\text{i}}$ DB into the C$_{\text{s}}$ defect.
 Quite high g(r) values are obtained for distances in between the continuous dashed line and the first arrow with a solid line.
-For the most part these structures can be identified as configurations of C$_{\text{s}}$ with either another C atom that basically occupies a Si lattice site but is displaced by a Si interstitial residing in the very next surrounding or a C atom that nearly occupies a Si lattice site forming a defect other than the \hkl<1 0 0>-type with the Si atom.
+For the most part, these structures can be identified as configurations of C$_{\text{s}}$ with either another C atom that basically occupies a Si lattice site but is displaced by a Si interstitial residing in the very next surrounding or a C atom that nearly occupies a Si lattice site forming a defect other than the \hkl<1 0 0>-type with the Si atom.
 Again, this is a quite promising result since the C atoms are taking the appropriate coordination as expected in 3C-SiC.
 
 Fig.~\ref{fig:v2} displays the radial distribution for high C concentrations.
@@ -332,7 +335,7 @@ Nevertheless, some results likewise indicate the acceleration of other processes
 The increasingly pronounced Si-C peak at \unit[0.35]{nm} corresponds to the distance of a C and a Si atom interconnected by another Si atom.
 Additionally, the C-C peak at \unit[0.31]{nm} corresponds to the distance of two C atoms bound to a central Si atom.
 For both structures the C atom appears to reside on a substitutional rather than an interstitial lattice site.
-However, huge amounts of damage hampers identification.
+However, huge amounts of damage hamper identification.
 The alignment of the investigated structures to the c-Si host is lost in many cases, which suggests the necessity of much more time for structural evolution to maintain the topotactic orientation of the precipitate.
 
 \section{Summary and discussion}
@@ -376,7 +379,7 @@ The associated emission of Si$_{\text{i}}$ is needed for several reasons.
 For the agglomeration and rearrangement of C, Si$_{\text{i}}$ is needed to turn C$_{\text{s}}$ into highly mobile C$_{\text{i}}$ again.
 Since the conversion of a coherent SiC structure, i.e. C$_{\text{s}}$ occupying the Si lattice sites of one of the two fcc lattices that build up the c-Si diamond lattice, into incoherent SiC is accompanied by a reduction in volume, large amounts of strain are assumed to reside in the coherent as well as at the surface of the incoherent structure.
 Si$_{\text{i}}$ serves either as a supply of Si atoms needed in the surrounding of the contracted precipitates or as an interstitial defect minimizing the emerging strain energy of a coherent precipitate.
-The latter has been directly identified in the present simulation study, i.e. structures of two C$_{\text{s}}$ atoms with one being slightly displaced by a neighbored Si$_{\text{i}}$ atom.
+The latter has been directly identified in the present simulation study, i.e. structures of two C$_{\text{s}}$ atoms and Si$_{\text{i}}$ located in the vicinity.
 
 It is, thus, concluded that precipitation occurs by successive agglomeration of C$_{\text{s}}$ as already proposed by Nejim et~al.\cite{nejim95}.
 This agrees well with a previous ab initio study on defects in C implanted Si\cite{zirkelbach10b}, which showed C$_{\text{s}}$ to occur in all probability.