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[lectures/latex.git] / posic / talks / defense.txt
index 94350c3..9162a00 100644 (file)
@@ -59,7 +59,7 @@ different polytypes exhibit different properties,
 which are listed in the table
 and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
 despite the lower charge carrier mobilities for low electric fields,
-SiC clearly outperforms Si.
+SiC clearly outperforms silicon.
 among the different polytypes, the cubic phase shows the highest
 break down field and saturation drift velocity.
 additionally, these properties are isotropic.
@@ -224,8 +224,9 @@ slide 10
 
 defect structures are obtained by creating a supercell of crystalline silicon
 with periodic boundary conditions and temperature and pressure set to zero.
-the interstitial carbon or silicon atom is inserted followed by
-structural relaxation into a local minimum configuration.
+the interstitial carbon or silicon atom is inserted,
+for example at the tetrahedral or heexagonal site,
+followed by structural relaxation into a local minimum configuration.
 
 next to the structure, defects can be characterized by formation energies,
 which is defined by this formula, where the chemical potential
@@ -247,9 +248,129 @@ each step the configurational energy of the relaxed structure is recorded.
 
 slide 11
 
-
+in the following, structures and formation energies
+of silicon self-interstitial defects are shown.
+the classical potential and ab initio method predicts formation energies,
+which are within the same order of magnitude.
+however, discrepancies exist.
+quantum-mechanical results reveal the silicon 110 interstitial dumbbell (db)
+as the ground state closely followed by the hexagonal and tetrahedral
+configuration, which is the consensus view for silicon interstitials.
+in contrast, the ea potential favors the tetrahedral configuration,
+a known problem, which arises due to the cut-off
+underestimating the closely located second next neighbors.
+the hexagonal defect is not stable
+opposed to results of the authors of the potential.
+first, it seems to condense at the hexagonal site but suddenly
+begins to move towards a more favoarble position,
+close to the tetrahedral one but slightly displaced along all 3 coordinate axes.
+this energy is equal to the formation energy given in the original work.
+this artificial configuration, however, turns out to have negligible influence
+in finite temperature simulations due to a low migration barrier into the
+tetrahedral configuration.
+nevertheless, these artificats have to be taken into account
+in the following investigations of defect combinations.
 
 slide 12
+
+the situation is much better for carbon defects.
+both methods provide the correct order of the formation energies
+and find the 100 db to be the ground state.
+the hexagonal defect is unstable relaxing into the ground state.
+the tetrahedral configuration is found to be unstable 
+in contrast to the prediction of the classical potential, which, however,
+shows a high energy of formation making this defect very unlikely to occur.
+the opposite is found for the bond-centered configuration, which constitutes
+a stable configuration but is found unstable in the classical description,
+relaxing into the 110 db configuration.
+however, again, the formation energy is quite high and, thus,
+the wrong description is not posing a serious limitation.
+the substitutional defect, which is not an interstitial defect,
+has the lowest formation energy for both methods, although, 
+it is drastically underestimated in the empirical approach.
+this might be a problem concerning the clarification of the controversial views
+of participation of Cs in the precipitation mechanism.
+however, it turns out, that combination of Cs and Si_i are very well described
+by the ea potential, with formation energies higher than the ground state.
+
 slide 13
+
+it is worth to note that there are differences in the 100 defect geometries
+obtained by both methods.
+while the carbon-silicon distance of the db is equal,
+the db position inside the tetrahedron differs significantly.
+of course, the classical potential is not able to reproduce
+the clearly quantum mechanically dominated character of bonding.
+
+more important, the bc configuration is found to constitute
+a local minimum configuration and not a saddle point as found in another study.
+this is due to the neglection of spin in these calculations, which,
+however, is necessary as can already be seen from simple molecular orbital
+considerations, assuming a sp hybridized carbon atom due to the linear bond.
+this assumption turns to be right as indicated by the charge density isosurface
+which shows a net spin up density located in a torus around the C atom.
+
 slide 14
+
+here, two of the intuitively obvious migration pathways of a carbon 00-1 db,
+and the corresponding activation energies
+for the highly accurate quantum mechnaical calculations are shown.
+
+in number one, the carbon atom resides in the 110 plane
+crossing the bc configuration.
+due to symmetry it is sufficient to merely consider the migration into the bc
+configuration.
+an activation energy of 1.2 eV is obtained.
+
+in path two, the carbon atom moves towards the same silicon atom, however,
+it escapes the 110 plane and forms a 0-10 oriented db.
+the obtained actiavtion energy of 0.9 eV excellently matches experiment.
+thus, there is no doubt, the migration mechanism is identified.
+
+a simple reorientation process was also calculated.
+however, an energy of 1.2 eV was obtained.
+thus, reorientation is most probably composed of two consecutive processes of
+the above type.
+
 slide 15
+
+the situation changes completely for the classical description.
+path number one, from the 00-1 to bc configuration
+shows the lowermost migration barrier of 2.2 eV.
+next to the fact, that this is a different pathway,
+the barrier is 2.4 times higher than the experimental and ab inito results.
+
+moreover, the ea description predicts the bc configuration to be unstable
+relaxing into the 110 db configuration.
+indeed, the observed minima in the 00-1 to 0-10 transition,
+is close to the 110 db structure.
+
+this suggests to investigate the transition involving the 110 configuration.
+this migration is displayed here,
+the 00-1 db turns into a 110 type followed by a final rotation into the 0-10 db
+configuration.
+barriers of 2.2 eV and 0.9 eV are obtained.
+these activation energies are 2.4 to 3.4 times higher than the ab initio ones.
+however, due to the above reasons, this is considered the most probable
+migration path in the ea description.
+after all, the expected change of the db orientation is fullfilled.
+
+nevertheless, diffusion barriers are drastically overestimated
+by the classical potentials, a problem, which needs to be addressed later on.
+
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