sec checkin
[lectures/latex.git] / posic / talks / upb-ua-xc.tex
index e95c0fb..affd26e 100644 (file)
@@ -218,8 +218,8 @@ POTIM = 0.1
  \begin{itemize}
   \item Calculation of cohesive energies for different lattice constants
   \item No ionic update
-  \item tetrahedron method with Blöchl corrections for
-        the partial occupancies $f_{nk}$
+  \item Tetrahedron method with Blöchl corrections for
+        the partial occupancies $f(\{\epsilon_{n{\bf k}}\})$
   \item Supercell 3 (8 atoms, 4 primitive cells)
  \end{itemize}
  \vspace*{0.6cm}
@@ -269,8 +269,8 @@ POTIM = 0.1
  \begin{itemize}
   \item Calculation of cohesive energies for different lattice constants
   \item No ionic update
-  \item tetrahedron method with Blöchl corrections for
-        the partial occupancies $f_{nk}$
+  \item Tetrahedron method with Blöchl corrections for
+        the partial occupancies $f(\{\epsilon_{n{\bf k}}\})$
  \end{itemize}
  \vspace*{0.6cm}
  \begin{minipage}{6.5cm}
@@ -283,7 +283,15 @@ POTIM = 0.1
  \begin{center}
  {\color{red}
   Non-continuous energies\\
-  for $E_{\textrm{cut-off}}<1050\,\textrm{eV}$!
+  for $E_{\textrm{cut-off}}<1050\,\textrm{eV}$!\\
+ }
+ \vspace*{0.5cm}
+ {\footnotesize
+ Does this matter in structural optimizaton simulations?
+ \begin{itemize}
+  \item Derivative might be continuous
+  \item Similar lattice constants where derivative equals zero
+ \end{itemize}
  }
  \end{center}
  \end{minipage}
@@ -348,25 +356,30 @@ POTIM = 0.1
          \item Spin polarized calculation
          \item Interpolation formula according to Vosko Wilk and Nusair
                for the correlation part of the exchange correlation functional
-         \item Gaussian smearing for the partial occupancies $f_{nk}$
+         \item Gaussian smearing for the partial occupancies
+               $f(\{\epsilon_{n{\bf k}}\})$
                ($\sigma=0.05$)
          \item Magnetic mixing: AMIX = 0.2, BMIX = 0.0001
          \item Supercell: one atom in cubic
                $10\times 10\times 10$ \AA$^3$ box
         \end{itemize}
         {\color{blue}
-        $E_{\textrm{free,sp}}(\textrm{Si},250\, \textrm{eV})=
+        $E_{\textrm{free,sp}}(\textrm{Si},{\color{green}250}\, \textrm{eV})=
          -0.70036911\,\textrm{eV}$
+        }\\
+        {\color{blue}
+        $E_{\textrm{free,sp}}(\textrm{Si},{\color{red}650}\, \textrm{eV})=
+         -0.70021403\,\textrm{eV}$
         },
         {\color{gray}
-        $E_{\textrm{free,sp}}(\textrm{C},xxx\, \textrm{eV})=
-         yyy\,\textrm{eV}$
+        $E_{\textrm{free,sp}}(\textrm{C},{\color{red}650}\, \textrm{eV})=
+         -1.3535731\,\textrm{eV}$
         }
   \item $E$:
         energy (non-polarized) of system of interest composed of\\
         n atoms of type N, m atoms of type M, \ldots
  \end{itemize}
- \vspace*{0.3cm}
+ \vspace*{0.2cm}
  {\color{red}
  \[
  \Rightarrow
@@ -382,12 +395,12 @@ POTIM = 0.1
 \begin{slide}
 
  {\large\bf
-  Silicon point defects\\
+  Calculation of the defect formation energy\\
  }
 
  \small
-
- Calculation of formation energy $E_{\textrm{f}}$
+ {\color{blue}Method 1} (single species)
  \begin{itemize}
   \item $E_{\textrm{coh}}^{\textrm{initial conf}}$:
         cohesive energy per atom of the initial system
@@ -402,13 +415,342 @@ POTIM = 0.1
  E_{\textrm{f}}=\Big(E_{\textrm{coh}}^{\textrm{interstitial conf}}
                -E_{\textrm{coh}}^{\textrm{initial conf}}\Big) N
  \]
+ }\\[0.4cm]
+ {\color{magenta}Method 2} (two and more species)
+ \begin{itemize}
+  \item $E$: energy of the interstitial system
+        (with respect to the ground state of the free atoms!)
+  \item $N_{\text{Si}}$, $N_{\text{C}}$:
+        amount of Si and C atoms
+  \item $\mu_{\text{Si}}$, $\mu_{\text{C}}$:
+        chemical potential (cohesive energy) of Si and C
+ \end{itemize}
+ \vspace*{0.2cm}
+ {\color{magenta}
+ \[
+ \Rightarrow
+ E_{\textrm{f}}=E-N_{\text{Si}}\mu_{\text{Si}}-N_{\text{C}}\mu_{\text{C}}
+ \]
  }
 
- \begin{center}
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Used types of supercells\\
+ }
+
+ \footnotesize
+
+ \begin{minipage}{4.3cm}
+  \includegraphics[width=4cm]{sc_type0.eps}\\[0.3cm]
+  \underline{Type 0}\\[0.2cm]
+  Basis: fcc\\
+  $x_1=(0.5,0.5,0)$\\
+  $x_2=(0,0.5,0.5)$\\
+  $x_3=(0.5,0,0.5)$\\
+  1 primitive cell / 2 atoms
+ \end{minipage}
+ \begin{minipage}{4.3cm}
+  \includegraphics[width=4cm]{sc_type1.eps}\\[0.3cm]
+  \underline{Type 1}\\[0.2cm]
+  Basis:\\
+  $x_1=(0.5,-0.5,0)$\\
+  $x_2=(0.5,0.5,0)$\\
+  $x_3=(0,0,1)$\\
+  2 primitive cells / 4 atoms
+ \end{minipage}
+ \begin{minipage}{4.3cm}
+  \includegraphics[width=4cm]{sc_type2.eps}\\[0.3cm]
+  \underline{Type 2}\\[0.2cm]
+  Basis: sc\\
+  $x_1=(1,0,0)$\\
+  $x_2=(0,1,0)$\\
+  $x_3=(0,0,1)$\\
+  4 primitive cells / 8 atoms
+ \end{minipage}\\[0.4cm]
+
+ {\bf\color{blue}
+ In the following these types of supercells are used and
+ are possibly scaled by integers in the different directions!
+ }
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Silicon point defects\\
+ }
+
+ \small
+
+ Influence of supercell size\\
+ \begin{minipage}{8cm}
  \includegraphics[width=7.0cm]{si_self_int.ps}
+ \end{minipage}
+ \begin{minipage}{5cm}
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{110},\,32\textrm{pc}}=3.38\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{tet},\,32\textrm{pc}}=3.41\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{hex},\,32\textrm{pc}}=3.42\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{vac},\,32\textrm{pc}}=3.51\textrm{ eV}$\\\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{hex},\,54\textrm{pc}}=3.42\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{tet},\,54\textrm{pc}}=3.45\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{vac},\,54\textrm{pc}}=3.47\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{110},\,54\textrm{pc}}=3.48\textrm{ eV}$
+ \end{minipage}
+
+ Comparison with literature (PRL 88 235501 (2002)):\\[0.2cm]
+ \begin{minipage}{8cm}
+ \begin{itemize}
+  \item GGA and LDA
+  \item $E_{\text{cut-off}}=35 / 25\text{ Ry}=476 / 340\text{ eV}$
+  \item 216 atom supercell
+  \item Gamma point only calculations
+ \end{itemize}
+ \end{minipage}
+ \begin{minipage}{5cm}
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{110}}=3.31 / 2.88\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{hex}}=3.31 / 2.87\textrm{ eV}$\\
+ $E_{\textrm{f}}^{\textrm{vac}}=3.17 / 3.56\textrm{ eV}$
+ \end{minipage}
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Questions so far ...\\
+ }
+
+ What configuration to chose for C in Si simulations?
+ \begin{itemize}
+  \item Switch to another method for the XC approximation (GGA, PAW)?
+  \item Reasonable cut-off energy
+  \item Switch off symmetry? (especially for defect simulations)
+  \item $k$-points
+        (Monkhorst? $\Gamma$-point only if cell is large enough?)
+  \item Switch to tetrahedron method or Gaussian smearing ($\sigma$?)
+  \item Size and type of supercell
+        \begin{itemize}
+         \item connected to choice of $k$-point mesh?
+         \item hence also connected to choice of smearing method?
+         \item constraints can only be applied to the lattice vectors!
+        \end{itemize}
+  \item Use of real space projection operators?
+  \item \ldots
+ \end{itemize}
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Review (so far) ...\\
+ }
+
+ Smearing method for the partial occupancies $f(\{\epsilon_{n{\bf k}}\})$
+ and $k$-point mesh
+
+ \begin{minipage}{4.4cm}
+  \includegraphics[width=4.4cm]{sic_smear_k.ps}
+ \end{minipage}
+ \begin{minipage}{4.4cm}
+  \includegraphics[width=4.4cm]{c_smear_k.ps}
+ \end{minipage}
+ \begin{minipage}{4.3cm}
+  \includegraphics[width=4.4cm]{si_smear_k.ps}
+ \end{minipage}\\[0.3cm]
+ \begin{itemize}
+  \item Convergence reached at $6\times 6\times 6$ k-point mesh
+  \item No difference between Gauss ($\sigma=0.05$)
+        and tetrahedron smearing method!
+ \end{itemize}
+ \begin{center}
+ $\Downarrow$\\
+ {\color{blue}\bf
+   Gauss ($\sigma=0.05$) smearing
+   and $6\times 6\times 6$ Monkhorst $k$-point mesh used
+ }
  \end{center}
 
 \end{slide}
 
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Review (so far) ...\\
+ }
+
+ \underline{Symmetry (in defect simulations)}
+
+ \begin{center}
+ {\color{red}No}
+ difference in $1\times 1\times 1$ Type 2 defect calculations\\
+ $\Downarrow$\\
+ Symmetry precission (SYMPREC) small enough\\
+ $\Downarrow$\\
+ {\bf\color{blue}Symmetry switched on}\\
+ \end{center}
+
+ \underline{Real space projection}
+
+ \begin{center}
+ Error in lattice constant of plain Si ($1\times 1\times 1$ Type 2):
+ $0.025\,\%$\\
+ Error in position of the 110 interstitital in Si ($1\times 1\times 1$ Type 2):
+ $0.026\,\%$\\
+ $\Downarrow$\\
+ {\bf\color{blue}
+  Real space projection used for 'large supercell' simulations}
+ \end{center}
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Review (so far) ...
+ }
+
+ Energy cut-off\\
+
+ \begin{center}
+
+ {\small
+ 3C-SiC equilibrium lattice constant and free energy\\ 
+ \includegraphics[width=7cm]{plain_sic_lc.ps}\\
+ $\rightarrow$ Convergence reached at 650 eV\\[0.2cm]
+ }
+
+ $\Downarrow$\\
+
+ {\bf\color{blue}
+  650 eV used as energy cut-off
+ }
+
+ \end{center}
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Not answered (so far) ...\\
+ }
+
+\vspace{1.5cm}
+
+ \LARGE
+ \bf
+ \color{blue}
+
+ \begin{center}
+ Continue\\
+ with\\
+ US LDA?
+ \end{center}
+
+\vspace{1.5cm}
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Final parameter choice
+ }
+
+ \footnotesize
+
+ \underline{Param 1}\\
+ My first choice. Used for more accurate calculations.
+ \begin{itemize}
+  \item $6\times 6 \times 6$ Monkhorst k-point mesh
+  \item $E_{\text{cut-off}}=650\text{ eV}$
+  \item Gaussian smearing ($\sigma=0.05$)
+  \item Use symmetry
+ \end{itemize}
+ \vspace*{0.2cm}
+ \underline{Param 2}\\
+ After talking to the pros! Used for 'large' simulations.
+ \begin{itemize}
+  \item $\Gamma$-point only
+  \item $E_{\text{cut-off}}=xyz\text{ eV}$
+  \item Gaussian smearing ($\sigma=0.05$)
+  \item Use symmetry
+  \item Real space projection (Auto, Medium)
+ \end{itemize}
+ \vspace*{0.2cm}
+ {\color{blue}
+  In both parameter sets the ultra soft pseudo potential method
+  as well as the projector augmented wave method is used with both,
+  the LDA and GGA exchange correlation potential!
+ }
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ \footnotesize
+
+ {\large\bf
+  Properties of Si, C and SiC using the new parameters\\
+ }
+
+ $2\times 2\times 2$ Type 2 supercell, Param 1, LDA, US PP\\[0.2cm]
+ \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
+ \hline
+  & c-Si & c-C (diamond) & 3C-SiC \\
+ \hline
+ Lattice constant [\AA] & 5.389 & 3.527 & 4.319 \\
+ Expt. [\AA] & 5.429 & 3.567 & 4.359 \\
+ Error [\%] & {\color{green}0.7} & {\color{green}1.1} & {\color{green}0.9} \\
+ \hline
+ Cohesive energy [eV] & -5.277 & -8.812 & -7.318 \\
+ Expt. [eV] & -4.63 & -7.374 & -6.340 \\
+ Error [\%] & {\color{red}14.0} & {\color{red}19.5} & {\color{red}15.4} \\
+ \hline
+ \end{tabular}\\
+
+ $2\times 2\times 2$ Type 2 supercell, 3C-SiC, Param 1\\[0.2cm]
+ \begin{tabular}{|l|l|l|l|}
+ \hline
+  & {\color{magenta}US PP, GGA} & PAW, LDA & PAW, GGA \\
+ \hline
+ Lattice constant [\AA] & 4.370 & 4.330 & \\
+ Error [\%] & {\color{green}0.3} & {\color{green}0.7} & still \\
+ \hline
+ Cohesive energy [eV] & -6.426 & -7.371 & \\
+ Error [\%] & {\color{green}1.4} & {\color{red}16.3} & running \\
+ \hline
+ \end{tabular}
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  C interstitial in c-Si
+ }
+
+
+\end{slide}
+
+\begin{slide}
+
+ {\large\bf
+  Energy cut-off for $\Gamma$-point only caclulations\\
+ }
+
+ $2\times 2\times 2$ Type 2 supercell, Param 2, 3C-SiC\\[0.2cm]
+ \includegraphics[width=5.5cm]{sic_32pc_gamma_cutoff.ps}
+ \includegraphics[width=5.5cm]{sic_32pc_gamma_cutoff_lc.ps}\\
+ $\Rightarrow$ Use 300 eV as energy cut-off?
+
+\end{slide}
+
 \end{document}