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[lectures/latex.git] / posic / thesis / basics.tex
index 1dc0df9..135f2ac 100644 (file)
@@ -5,7 +5,7 @@ In the following the simulation methods used within the scope of this study are
 Enabling the investigation of the evolution of structure on the atomic scale, molecular dynamics (MD) simulations are chosen for modeling the behavior and precipitation of C introduced into an initially crystalline Si environment.
 To be able to model systems with a large amount of atoms computational efficient classical potentials to describe the interaction of the atoms are most often used in MD studies.
 For reasons of flexibility in executing this non-standard task and in order to be able to use a novel interaction potential \cite{albe_sic_pot} an appropriate MD code called {\textsc posic}\footnote{{\textsc posic} is an abbreviation for {\bf p}recipitation {\bf o}f {\bf SiC}}\footnote{Source code: http://www.physik.uni-augsburg.de/\~{}zirkelfr/posic/posic.tar.bz2} including a library collecting respective MD subroutines was developed from scratch.
-The basic ideas of MD in general and the adopted techniques as implemented in {\em posic} in particular are outlined in section \ref{section:md}, while the functional form and derivative of the employed classical potential is presented in appendix \ref{app:d_tersoff}.
+The basic ideas of MD in general and the adopted techniques as implemented in {\textsc posic} in particular are outlined in section \ref{section:md}, while the functional form and derivative of the employed classical potential is presented in appendix \ref{app:d_tersoff}.
 An overview of the most important tools within the MD package is given in appendix \ref{app:code}.
 Although classical potentials are often most successful and at the same time computationally efficient in calculating some physical properties of a particular system, not all of its properties might be described correctly due to the lack of quantum-mechanical effects.
 Thus, in order to obtain more accurate results quantum-mechanical calculations from first principles based on density functional theory (DFT) were performed.
@@ -44,10 +44,15 @@ A potential is necessary describing the interaction of the particles.
 By MD a complete description of the system in the sense of classical mechanics on the microscopic level is obtained.
 The microscopic information can then be translated to macroscopic observables by means of statistical mechanics.
 
-The basic idea is to integrate Newton's equations numerically.
+The basic idea is to assume that the particles can be described classically by Newton's equations of motion, which are integrated numerically.
 A system of $N$ particles of masses $m_i$ ($i=1,\ldots,N$) at positions ${\bf r}_i$ and velocities $\dot{{\bf r}}_i$ is given by
 \begin{equation}
-m_i \frac{d^2}{dt^2} {\bf r}_i = {\bf F}_i \, \textrm{.}
+%m_i \frac{d^2}{dt^2} {\bf r}_i = {\bf F}_i \Leftrightarrow
+%m_i \frac{d}{dt} {\bf r}_i = {\bf p}_i\textrm{ , } \quad
+%\frac{d}{dt} {\bf p}_i = {\bf F}_i\textrm{ .}
+m_i \ddot{{\bf r}_i} = {\bf F}_i \Leftrightarrow
+m_i \dot{{\bf r}_i} = {\bf p}_i\textrm{, }
+\dot{{\bf p}_i} = {\bf F}_i\textrm{ .}
 \end{equation}
 The forces ${\bf F}_i$ are obtained from the potential energy $U(\{{\bf r}\})$:
 \begin{equation}
@@ -65,50 +70,8 @@ Three ingredients are required for a MD simulation:
 \item A statistical ensemble has to be chosen, which allows certain thermodynamic quantities to be controlled or to stay constant.
       This is discussed in section \ref{subsection:statistical_ensembles}.
 \end{enumerate}
-Furthermore special techniques will be outlined, which reduce the complexity of the MD algorithm, though the evaluation of energy and force almost inevitably dictates the overall speed.
-
-\subsection{Verlet integration}
-\label{subsection:integrate_algo}
-
-A numerical method to integrate Newton's equation of motion was presented by Verlet in 1967 \cite{verlet67}.
-The idea of the so-called Verlet and a variant, the velocity Verlet algorithm, which additionaly generates directly the velocities, is explained in the following.
-Starting point is the Taylor series for the particle positions at time $t+\delta t$ and $t-\delta t$
-\begin{equation}
-\vec{r}_i(t+\delta t)=
-\vec{r}_i(t)+\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t)+
-\frac{\delta t^3}{6}\vec{b}_i(t) + \mathcal{O}(\delta t^4)
-\label{basics:verlet:taylor1}
-\end{equation}
-\begin{equation}
-\vec{r}_i(t-\delta t)=
-\vec{r}_i(t)-\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t)-
-\frac{\delta t^3}{6}\vec{b}_i(t) + \mathcal{O}(\delta t^4)
-\label{basics:verlet:taylor2}
-\end{equation}
-where $\vec{v}_i=\frac{d}{dt}\vec{r}_i$ are the velocities, $\vec{f}_i=m\frac{d}{dt^2}\vec{r}_i$ are the forces and $\vec{b}_i=\frac{d}{dt^3}\vec{r}_i$ are the third derivatives of the particle positions with respect to time.
-The Verlet algorithm is obtained by summarizing and substracting equations \eqref{basics:verlet:taylor1} and \eqref{basics:verlet:taylor2}
-\begin{equation}
-\vec{r}_i(t+\delta t)=
-2\vec{r}_i(t)-\vec{r}_i(t-\delta t)+\frac{\delta t^2}{m_i}\vec{f}_i(t)+
-\mathcal{O}(\delta t^4)
-\end{equation}
-\begin{equation}
-\vec{v}_i(t)=\frac{1}{2\delta t}[\vec{r}_i(t+\delta t)-\vec{r}_i(t-\delta t)]+
-\mathcal{O}(\delta t^3)
-\end{equation}
-the truncation error of which is of order $\delta t^4$ for the positions and $\delta t^3$ for the velocities.
-The velocities, although not used to update the particle positions, are not synchronously determined with the positions but drag behind one step of discretization.
-The Verlet algorithm can be rewritten into an equivalent form, which updates the velocities and positions in the same step.
-The so-called velocity Verlet algorithm is obtained by combining \eqref{basics:verlet:taylor1} with equation \eqref{basics:verlet:taylor2} displaced in time by $+\delta t$
-\begin{equation}
-\vec{v}_i(t+\delta t)=
-\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t}{2m_i}[\vec{f}_i(t)+\vec{f}_i(t+\delta t)]
-\end{equation}
-\begin{equation}
-\vec{r}_i(t+\delta t)=
-\vec{r}_i(t)+\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t) \text{ .}
-\end{equation}
-Since the forces for the new positions are required to update the velocity the determination of the forces has to be carried out within the integration algorithm.
+These ingredients will be outlined in the follwoing.
+The discussion is restricted to methods employed within this study.
 
 \subsection{Interaction potentials for silicon and carbon}
 \label{subsection:interact_pot}
@@ -188,7 +151,7 @@ The angular dependence does not give a fixed minimum angle between bonds since t
 The relation to the above discussed bond order potential becomes obvious if $\chi=1, \beta=1, n=1, \omega=1$ and $c=0$.
 Parameters with a single subscript correspond to the parameters of the elemental system \cite{tersoff_si3,tersoff_c} while the mixed parameters are obtained by interpolation from the elemental parameters by the arithmetic or geometric mean.
 The elemental parameters were obtained by fit with respect to the cohesive energies of real and hypothetical bulk structures and the bulk modulus and bond length of the diamond structure.
-New parameters for the mixed system are $\chi$, which is used to finetune the strength of heteropolar bonds, and $\omeag$, which is set to one for the C-Si interaction but is available as a feature to permit the application of the potential to more drastically different types of atoms in the future.
+New parameters for the mixed system are $\chi$, which is used to finetune the strength of heteropolar bonds, and $\omega$, which is set to one for the C-Si interaction but is available as a feature to permit the application of the potential to more drastically different types of atoms in the future.
 
 The force acting on atom $i$ is given by the derivative of the potential energy.
 For a three body potential ($V_{ij} \neq V{ji}$) the derivation is of the form
@@ -204,32 +167,136 @@ Details of the Tersoff potential derivative are presented in appendix \ref{app:d
 \subsubsection{Improved analytical bond order potential}
 
 Although the Tersoff potential is one of the most widely used potentials there are some shortcomings.
-Describing the Si interaction Tersoff was unable to find a single parameter set to describe well both, bulk and surface properties.
+Describing the Si-Si interaction Tersoff was unable to find a single parameter set to describe well both, bulk and surface properties.
 Due to this and since the first approach labeled T1 \cite{tersoff_si1} turned out to be unstable \cite{dodson87}, two further parametrizations exist, T2 \cite{tersoff_si2} and T3 \cite{tersoff_si3}.
 While T2 describes well surface properties, T3 yields improved elastic constants and should be used for describing bulk properties.
 However, T3, which is used in the Si/C potential, suffers from an underestimation of the dimer binding energy.
-Similar behavior is found for the C interaction.
+Similar behavior is found for the C-C interaction.
 
-For this reason, Erhart and Albe provide a reparametrization of the Tersoff potential based on three independently fitted potentials for the Si-Si, C-C and Si-C interaction \cite{albe_sic_pot}.
-The functional form is nearly the same like the one proposed by Tersoff.
+For this reason, Erhart and Albe provide a reparametrization of the Tersoff potential based on three independently fitted parameter sets for the Si-Si, C-C and Si-C interaction \cite{albe_sic_pot}.
+The functional form is similar to the one proposed by Tersoff.
 Differences in the energy functional and the force evaluation routine are pointed out in appendix \ref{app:d_tersoff}.
-For Si ...
+Concerning Si the elastic properties of the diamond phase as well as the structure and energetics of the dimer are reproduced very well.
+The new parameter set for the C-C interaction yields improved dimer properties while at the same time delivers a description of the bulk phase similar to the Tersoff potential.
+The potential succeeds in the description of the low as well as high coordinated structures.
+The description of elastic properties of SiC is improved with respect to the potentials available in literature.
+Defect properties are only fairly reproduced but the description is comparable to previously published potentials.
+It is claimed that the potential enables modeling of widely different configurations and transitions among these and has recently been used to simulate the inert gas condensation of Si-C nanoparticles \cite{erhart04}.
+Therefore the Erhart/Albe (EA) potential is considered the superior analytical bond order potential to study the SiC precipitation and associated processes in Si.
+
+\subsection{Verlet integration}
+\label{subsection:integrate_algo}
+
+A numerical method to integrate Newton's equation of motion was presented by Verlet in 1967 \cite{verlet67}.
+The idea of the so-called Verlet and a variant, the velocity Verlet algorithm, which additionaly generates directly the velocities, is explained in the following.
+Starting point is the Taylor series for the particle positions at time $t+\delta t$ and $t-\delta t$
+\begin{equation}
+\vec{r}_i(t+\delta t)=
+\vec{r}_i(t)+\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t)+
+\frac{\delta t^3}{6}\vec{b}_i(t) + \mathcal{O}(\delta t^4)
+\label{basics:verlet:taylor1}
+\end{equation}
+\begin{equation}
+\vec{r}_i(t-\delta t)=
+\vec{r}_i(t)-\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t)-
+\frac{\delta t^3}{6}\vec{b}_i(t) + \mathcal{O}(\delta t^4)
+\label{basics:verlet:taylor2}
+\end{equation}
+where $\vec{v}_i=\frac{d}{dt}\vec{r}_i$ are the velocities, $\vec{f}_i=m\frac{d}{dt^2}\vec{r}_i$ are the forces and $\vec{b}_i=\frac{d}{dt^3}\vec{r}_i$ are the third derivatives of the particle positions with respect to time.
+The Verlet algorithm is obtained by summarizing and substracting equations \eqref{basics:verlet:taylor1} and \eqref{basics:verlet:taylor2}
+\begin{equation}
+\vec{r}_i(t+\delta t)=
+2\vec{r}_i(t)-\vec{r}_i(t-\delta t)+\frac{\delta t^2}{m_i}\vec{f}_i(t)+
+\mathcal{O}(\delta t^4)
+\end{equation}
+\begin{equation}
+\vec{v}_i(t)=\frac{1}{2\delta t}[\vec{r}_i(t+\delta t)-\vec{r}_i(t-\delta t)]+
+\mathcal{O}(\delta t^3)
+\end{equation}
+the truncation error of which is of order $\delta t^4$ for the positions and $\delta t^3$ for the velocities.
+The velocities, although not used to update the particle positions, are not synchronously determined with the positions but drag behind one step of discretization.
+The Verlet algorithm can be rewritten into an equivalent form, which updates the velocities and positions in the same step.
+The so-called velocity Verlet algorithm is obtained by combining \eqref{basics:verlet:taylor1} with equation \eqref{basics:verlet:taylor2} displaced in time by $+\delta t$
+\begin{equation}
+\vec{v}_i(t+\delta t)=
+\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t}{2m_i}[\vec{f}_i(t)+\vec{f}_i(t+\delta t)]
+\end{equation}
+\begin{equation}
+\vec{r}_i(t+\delta t)=
+\vec{r}_i(t)+\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t) \text{ .}
+\end{equation}
+Since the forces for the new positions are required to update the velocity the determination of the forces has to be carried out within the integration algorithm.
 
 \subsection{Statistical ensembles}
 \label{subsection:statistical_ensembles}
 
-By default ... NVE
+Using the above mentioned algorithms the most basic type of MD is realized by simply integrating the equations of motion of a fixed number of particles ($N$) in a closed volume $V$ realized by periodic boundary conditions (PBC).
+Providing a stable integration algorithm the total energy $E$, i.e. the kinetic and configurational energy of the paticles, is conserved.
+This is known as the $NVE$, or microcanonical ensemble, describing an isolated system composed of microstates, among which the number of particles, volume and energy are held constant.
 
-However, we need to control T -> NVT
-.. and p -> NpT ...
+However, the successful formation of SiC dictates precise control of temperature by external heating.
+While the temperature of such a system is well defined, the energy is no longer conserved.
+The microscopic states of a system, which is in thermal equilibrium with an external thermal heat bath, are represented by the $NVT$ ensemble.
+In the so-called canonical ensemble the temperature $T$ is related to the expactation value of the kinetic energy of the particles, i.e.
+\begin{equation}
+\langle E_{\text{kin}}\rangle = \frac{3}{2}Nk_{\text{B}}T \text{, }
+E_{\text{kin}}=\sum_i \frac{\vec{p}^2_i}{2m_i} \text{ .}
+\label{eq:basics:ts}
+\end{equation}
+The volume of the synthesized material can hardly be controlled in experiment.
+Instead the pressure can be adjusted.
+Holding constant the pressure in addition to the temperature of the system its states are represented by the isothermal-isobaric $NpT$ ensemble.
+The expression for the pressure of a system derived from the equipartition theorem is given by
+\begin{equation}
+pV=Nk_{\text{B}}T+\langle W\rangle\text{, }W=-\frac{1}{3}\sum_i\vec{r}_i\nabla_{\vec{r}_i}U
+\text{, }
+\label{eq:basics:ps}
+\end{equation}
+where $W$ is the virial and $U$ is the configurational energy.
+
+Berendsen~et~al.~\cite{berendsen84} proposed a method, which is easy to implement, to couple the system to an external bath with constant temperature $T_0$ or pressure $p_0$ with adjustable time constants $\tau_T$ and $\tau_p$ determining the strength of the coupling.
+Control of the respective variable is based on the relations given in equations \eqref{eq:basics:ts} and \eqref{eq:basics:ps}.
+The thermostat is achieved by scaling the velocities of all atoms in every time step $\delta t$ from $\vec{v}_i$ to $\lambda \vec{v}_i$, with
+\begin{equation}
+\lambda=\left[1+\frac{\delta t}{\tau_T}(\frac{T_0}{T}-1)\right]^\frac{1}{2}
+\text{ ,}
+\end{equation}
+where $T$ is the current temperature according to equation \eqref{eq:basics:ts}.
+The barostat adjusts the pressure by changing the virial through scaling of the particle positions $\vec{r}_i$ to $\mu \vec{r}_i$ and the volume $V$ to $\mu^3 V$, with
+\begin{equation}
+\mu=\left[1-\frac{\beta\delta t}{\tau_p}(p_0-p)\right]^\frac{1}{3}\text{ ,}
+\end{equation}
+where $\beta$ is the isothermal compressibility and $p$ corresponds to the current pressure, which is determined by equation \eqref{eq:basics:ps}.
 
+Using this method the system does not behave like a true $NpT$ ensemble.
+On average $T$ and $p$ correspond to the expected values.
+For large enough time constants, i.e. $\tau > 100 \delta t$, the method shows realistic fluctuations in $T$ and $p$.
+The advantage of the approach is that the coupling can be decreased to minimize the disturbance of the system and likewise be adjusted to suit the needs of a given application.
+It provides a stable algorithm that allows smooth changes of the system to new values of temperature or pressure, which is ideal for the investigated problem.
 
 \section{Denstiy functional theory}
 \label{section:dft}
 
-\subsection{Hohenberg-Kohn theorem}
+Dirac declared that chemistry has come to an end, its content being entirely contained in the powerul equation published by Schr\"odinger in 1926 \cite{schroeder26} marking the beginning of wave mechanics.
+Following the path of Schr\"odinger the problem in quantum-mechanical modeling of describing the many-body problem, i.e. a system of a large amount of interacting particles, is manifested in the high-dimensional Schr\"odinger equation for the wave function $\Psi({\vec{R}},{\vec{r}})$ that depends on the coordinates of all nuclei and electrons.
+The Schr\"odinger equation contains the kinetic energy of the ions and electrons as well as the electron-ion, ion-ion and electron-electron interaction.
+This cannot be solved exactly and finding approximate solutions requires several layers of simplification in order to reduce the number of free parameters.
+Approximations that consider a truncated Hilbert space of single-particle orbitals yield promising results, however, with increasing complexity and demand for high accuracy the amount of Slater determinats to be evaluated massively increases.
+
+In contrast, instead of using the description by the many-body wave function, the key point in density functional theory (DFT) is to recast the problem to a description utilizing the charge density $n(\vec{r})$, which constitutes a quantity in real space depending only on the three spatial coordinates.
+In the following sections the basic idea of DFT will be outlined.
+As will be shown, DFT can formally be regarded as an exactification of the Thomas Fermi theory \cite{thomas27,fermi27} and the self-consistent Hartree equations \cite{hartree28}.
+
+\subsection{Born-Oppenheimer approximation}
 
-\subsection{Born-Oppenheimer (adiabatic) approximation}
+Born and Oppenheimer proposed a simplification enabling the effective decoupling of the electronic and ionic degrees of freedom \cite{born27}.
+Within the Born-Oppenheimer (BO) approximation the light electrons are assumed to move much faster and, thus, follow adiabatically to the motion of the heavy nuclei, if the latter are only slightly deflected from their equilibrium positions.
+Thus, on the timescale of electronic motion the ions appear at fixed positions and, on the other way round, for the nuclei the electrons appear blurred in space adding an extra term to the ion-ion potential.
+The simplified Schr\"odinger equation is rewritten without the kinetic energy of the ions and its positions enter as fixed parameters.
+
+\subsection{Bloch theorem}
+
+\subsection{Hohenberg-Kohn theorem}
 
 \subsection{Effective potential}