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[lectures/latex.git] / posic / thesis / basics.tex
index fe77c41..d80a4d0 100644 (file)
@@ -4,17 +4,17 @@
 In the following the simulation methods used within the scope of this study are introduced.
 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}} including a library collecting respective MD subroutines was developed from scratch\footnote{Source code: http://www.physik.uni-augsburg.de/\~{}zirkelfr/posic}.
-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}.
+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}} including a library collecting respective MD subroutines was developed from scratch\footnote{Source code: http://www.physik.uni-augsburg.de/\~{}zirkelfr/posic}.
+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.
-The Vienna {\em ab initio} simulation package ({\textsc vasp}) \cite{kresse96} is used for this purpose.
-The relevant basics of DFT are described in section \ref{section:dft} while an overview of utilities mainly used to create input or parse output data of {\textsc vasp} is given in appendix \ref{app:code}.
+The Vienna {\em ab initio} simulation package (\textsc{vasp}) \cite{kresse96} is used for this purpose.
+The relevant basics of DFT are described in section \ref{section:dft} while an overview of utilities mainly used to create input or parse output data of \textsc{vasp} is given in appendix \ref{app:code}.
 The gain in accuracy achieved by this method, however, is accompanied by an increase in computational effort constraining the simulated system to be much smaller in size.
 Thus, investigations based on DFT are restricted to single defects or combinations of two defects in a rather small Si supercell, their structural relaxation as well as some selected diffusion processes.
 Next to the structure, defects can be characterized by the defect formation energy, a scalar indicating the costs necessary for the formation of the defect, which is explained in section \ref{section:basics:defects}.
-The method used to investigate migration pathways to identify the prevalent diffusion mechanism is introduced in section \ref{section:basics:migration} and modifications to the {\textsc vasp} code implementing this method are presented in appendix \ref{app:patch_vasp}.
+The method used to investigate migration pathways to identify the prevalent diffusion mechanism is introduced in section \ref{section:basics:migration} and modifications to the \textsc{vasp} code implementing this method are presented in appendix \ref{app:patch_vasp}.
 
 \section{Molecular dynamics simulations}
 \label{section:md}
@@ -29,7 +29,7 @@ The method used to investigate migration pathways to identify the prevalent diff
 \end{quotation}
 
 \noindent
-Pierre Simon de Laplace phrased this vision in terms of a controlling, omniscient instance - the {\em Laplace demon} - which would be able to look into the future as well as into the past due to the deterministic nature of processes, governed by the solution of differential equations.
+Pierre Simon de Laplace phrased this vision in terms of a controlling, omniscient instance --- the {\em Laplace demon} --- which would be able to look into the future as well as into the past due to the deterministic nature of processes, governed by the solution of differential equations.
 Although Laplace's vision is nowadays corrected by chaos theory and quantum mechanics, it expresses two main features of classical mechanics, the determinism of processes and time reversibility of the fundamental equations.
 This understanding may be regarded as the basic principle of molecular dynamics, considering an isolated system of particles, the behavior of which is fully determined by the solution of the classical equations of motion.
 
@@ -87,8 +87,8 @@ Examples of single particle potentials are the gravitational force or an electri
 $U_2$ is a two body pair potential which only depends on the distance $r_{ij}$ between the two atoms $i$ and $j$.
 If not only pair potentials are considered, three body potentials $U_3$ or many body potentials $U_n$ can be included.
 Usually these higher order terms are avoided since they are not easy to model and it is rather time consuming to evaluate potentials and forces originating from these many body terms.
-Ordinary pair potentials have a close-packed structure like face-centered cubic (FCC) or hexagonal close-packed (HCP) as a ground state.
-A pair potential is, thus, unable to describe properly elements with other structures than FCC or HCP.
+Ordinary pair potentials have a close-packed structure like face-centered cubic (fcc) or hexagonal close-packed (hcp) as a ground state.
+A pair potential is, thus, unable to describe properly elements with other structures than fcc or hcp.
 Silicon and carbon for instance, have a diamond and zincblende structure with four covalently bonded neighbors, which is far from a close-packed structure.
 A three body potential has to be included for these types of elements.
 
@@ -96,11 +96,11 @@ A three body potential has to be included for these types of elements.
 
 Tersoff proposed an empirical interatomic potential for covalent systems \cite{tersoff_si1,tersoff_si2}.
 The Tersoff potential explicitly incorporates the dependence of bond order on local environments, permitting an improved description of covalent materials.
-Due to the covalent character Tersoff restricted the interaction to nearest neighbor atoms accompanied by an increases in computational efficiency for the evaluation of forces and energy based on the short-range potential.
+Due to the covalent character Tersoff restricted the interaction to nearest neighbor atoms accompanied by an increase in computational efficiency for the evaluation of forces and energy based on the short-range potential.
 Tersoff applied the potential to silicon \cite{tersoff_si1,tersoff_si2,tersoff_si3}, carbon \cite{tersoff_c} and also to multicomponent systems like silicon carbide \cite{tersoff_m}.
-The basic idea is that, in real systems, the bond order, i.e. the strength of the bond, depends upon the local environment \cite{abell85}.
+The basic idea is that, in real systems, the bond order, i.e.\ the strength of the bond, depends upon the local environment \cite{abell85}.
 Atoms with many neighbors form weaker bonds than atoms with only a few neighbors.
-Although the bond strength intricately depends on geometry the focus on coordination, i.e. the number of neighbors forming bonds, is well motivated qualitatively from basic chemistry since for every additional formed bond the amount of electron pairs per bond and, thus, the strength of the bonds is decreased.
+Although the bond strength intricately depends on geometry, the focus on coordination, i.e.\ the number of neighbors forming bonds, is well motivated qualitatively from basic chemistry since for every additional formed bond the amount of electron pairs per bond and, thus, the strength of the bonds is decreased.
 If the energy per bond decreases rapidly enough with increasing coordination the most stable structure will be the dimer.
 In the other extreme, if the dependence is weak, the material system will end up in a close-packed structure in order to maximize the number of bonds and likewise minimize the cohesive energy.
 This suggests the bond order to be a monotonously decreasing function with respect to coordination and the equilibrium coordination being determined by the balance of bond strength and number of bonds.
@@ -140,7 +140,7 @@ b_{ij} & = & \chi_{ij} (1 + \beta_i^{n_i} \zeta^{n_i}_{ij})^{-1/2n_i} \\
 g(\theta_{ijk}) & = & 1 + c_i^2/d_i^2 - c_i^2/[d_i^2 + (h_i - \cos \theta_{ijk})^2]
 \end{eqnarray}
 where $\theta_{ijk}$ is the bond angle between bonds $ij$ and $ik$.
-This is illustrated in Fig. \ref{img:tersoff_angle}.
+This is illustrated in Fig.~\ref{img:tersoff_angle}.
 \begin{figure}[t]
 \begin{center}
 \includegraphics[width=8cm]{tersoff_angle.eps}
@@ -167,7 +167,7 @@ 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.
+Although the Tersoff potential is one of the most widely used potentials, there are some shortcomings.
 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.
@@ -203,7 +203,7 @@ Starting point is the Taylor series for the particle positions at time $t+\delta
 \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.
+where $\vec{v}_i=\frac{d}{dt}\vec{r}_i$ are the velocities, $\vec{f}_i=m\frac{d^2}{dt^2}\vec{r}_i$ are the forces and $\vec{b}_i=\frac{d^3}{dt^3}\vec{r}_i$ are the third derivatives of the particle positions with respect to time.
 The Verlet algorithm is obtained by summarizing and subtracting equations \eqref{basics:verlet:taylor1} and \eqref{basics:verlet:taylor2}
 \begin{equation}
 \vec{r}_i(t+\delta t)=
@@ -217,14 +217,17 @@ The Verlet algorithm is obtained by summarizing and subtracting equations \eqref
 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 $+\delta t$
+The so-called velocity Verlet algorithm is obtained by combining equation \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)]
++\mathcal{O}(\delta t^3)
 \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{ .}
+\vec{r}_i(t)+\delta t\vec{v}_i(t)+\frac{\delta t^2}{2m_i}\vec{f}_i(t)
++\mathcal{O}(\delta t^3)
+ \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.
 
@@ -232,7 +235,7 @@ Since the forces for the new positions are required to update the velocity the d
 \label{subsection:statistical_ensembles}
 
 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 particles, is conserved.
+Providing a stable integration algorithm the total energy $E$, i.e.\ the kinetic and configurational energy of the particles, 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, the successful formation of SiC dictates precise control of temperature by external heating.
@@ -271,7 +274,7 @@ where $\beta$ is the isothermal compressibility and $p$ corresponds to the curre
 
 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 $p$.
+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.
 
@@ -279,7 +282,7 @@ It provides a stable algorithm that allows smooth changes of the system to new v
 \label{section:dft}
 
 Dirac declared that chemistry has come to an end, its content being entirely contained in the powerful equation published by Schr\"odinger in 1926 \cite{schroedinger26} 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.
+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 determinants to be evaluated massively increases.
@@ -312,7 +315,7 @@ However, the remaining number of free parameters is still too high and need to b
 \subsection{Hohenberg-Kohn theorem and variational principle}
 
 Investigating the energetics of Cu$_x$Zn$_{1-x}$ alloys, which for different compositions exhibit different transfers of charge between the Cu and Zn unit cells due to their chemical difference and, thus, varying electrostatic interactions contributing to the total energy, the work of Hohenberg and Kohn had a natural focus on the distribution of charge.
-Although it was clear that the Thomas Fermi (TF) theory only provides a rough approximation to the exact solution of the many-electron Schr\"odinger equation the theory was of high interest since it provides an implicit relation of the potential and the electron density distribution.
+Although it was clear that the Thomas Fermi (TF) theory only provides a rough approximation to the exact solution of the many-electron Schr\"odinger equation, the theory was of high interest since it provides an implicit relation of the potential and the electron density distribution.
 This raised the question how to establish a connection between TF expressed in terms of $n(\vec{r})$ and the exact Schr\"odinger equation expressed in terms of the many-electron wave function $\Psi({\vec{r}})$ and whether a complete description in terms of the charge density is possible in principle.
 The answer to this question, whether the charge density completely characterizes a system, became the starting point of modern DFT.
 
@@ -348,8 +351,8 @@ U=\frac{1}{2}\int\frac{n(\vec{r})n(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}d\vec{r
 
 \subsection{Kohn-Sham system}
 
-Inspired by the Hartree equations, i.e. a set of self-consistent single-particle equations for the approximate solution of the many-electron problem \cite{hartree28}, which describe atomic ground states much better than the TF theory, Kohn and Sham presented a Hartree-like formulation of the Hohenberg and Kohn minimal principle \eqref{eq:basics:hkm} \cite{kohn65}.
-However, due to a more general approach, the new formulation is formally exact by introducing the energy functional $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$, which accounts for the exchange and correlation energy of the electron interaction $U$ and possible corrections due to electron interaction to the kinetic energy $T$.
+Inspired by the Hartree equations, i.e.\ a set of self-consistent single-particle equations for the approximate solution of the many-electron problem \cite{hartree28}, which describe atomic ground states much better than the TF theory, Kohn and Sham presented a Hartree-like formulation of the Hohenberg and Kohn minimal principle \eqref{eq:basics:hkm} \cite{kohn65}.
+However, due to a more general approach, the new formulation is formally exact by introducing the energy functional $E_{\text{xc}}[n(\vec{r})]$, which accounts for the exchange and correlation energy of the electron interaction $U$ and possible corrections due to electron interaction to the kinetic energy $T$.
 The respective Kohn-Sham equations for the effective single-particle wave functions $\Phi_i(\vec{r})$ take the form
 \begin{equation}
 \left[
@@ -360,7 +363,7 @@ The respective Kohn-Sham equations for the effective single-particle wave functi
 \end{equation}
 \begin{equation}
 V_{\text{eff}}(\vec{r})=V(\vec{r})+\int\frac{e^2n(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}'
- + V_{\text{xc}(\vec{r})}
+ + V_{\text{xc}}(\vec{r})
 \text{ ,}
 \label{eq:basics:kse2}
 \end{equation}
@@ -408,7 +411,7 @@ Here, the exchange-correlation energy per particle of the uniform electron gas o
 Although, even in such a simple case, no exact form of the correlation part of $\epsilon_{\text{xc}}(n)$ is known, highly accurate numerical estimates using Monte Carlo methods \cite{ceperley80} and corresponding parametrizations exist \cite{perdew81}.
 Obviously exact for the homogeneous electron gas, the LDA was {\em a priori} expected to be useful only for densities varying slowly on scales of the local Fermi or TF wavelength.
 Nevertheless, LDA turned out to be extremely successful in describing some properties of highly inhomogeneous systems accurately within a few percent.
-Although LDA is known to overestimate the cohesive energy in solids by \unit[10-20]{\%}, the lattice parameters are typically determined with an astonishing accuracy of about \unit[1]{\%}.
+Although LDA is known to overestimate the cohesive energy in solids by \unit[10--20]{\%}, the lattice parameters are typically determined with an astonishing accuracy of about \unit[1]{\%}.
 
 More accurate approximations of the exchange-correlation functional are realized by the introduction of gradient corrections with respect to the density \cite{kohn65}.
 Respective considerations are based on the concept of an exchange-correlation hole density describing the depletion of the electron density in the vicinity of an electron.
@@ -432,19 +435,19 @@ At modest computational costs gradient-corrected functionals very often yield mu
 
 Finally, a set of basis functions is required to represent the one-electron KS wave functions.
 With respect to the numerical treatment it is favorable to approximate the wave functions by linear combinations of a finite number of such basis functions.
-Convergence of the basis set, i.e. convergence of the wave functions with respect to the amount of basis functions, is most crucial for the accuracy of the numerical calculations.
+Convergence of the basis set, i.e.\ convergence of the wave functions with respect to the amount of basis functions, is most crucial for the accuracy of the numerical calculations.
 Two classes of basis sets, the plane-wave and local basis sets, exist.
 
-Local basis set functions usually are atomic orbitals, i.e. mathematical functions that describe the wave-like behavior of electrons, which are localized, i.e. centered on atoms or bonds.
+Local basis set functions usually are atomic orbitals, i.e.\ mathematical functions that describe the wave-like behavior of electrons, which are localized, i.e.\ centered on atoms or bonds.
 Molecular orbitals can be represented by linear combinations of atomic orbitals (LCAO).
 By construction, only a small number of basis functions is required to represent all of the electrons of each atom within reasonable accuracy.
 Thus, local basis sets enable the implementation of methods that scale linearly with the number of atoms.
 However, these methods rely on the fact that the wave functions are localized and exhibit an exponential decay resulting in a sparse Hamiltonian.
 
 Another approach is to represent the KS wave functions by plane waves.
-In fact, the employed {\textsc vasp} software is solving the KS equations within a plane-wave (PW) basis set.
+In fact, the employed \textsc{vasp} software is solving the KS equations within a plane-wave (PW) basis set.
 The idea is based on the Bloch theorem \cite{bloch29}, which states that in a periodic crystal each electronic wave function $\Phi_i(\vec{r})$ can be written as the product of a wave-like envelope function $\exp(i\vec{kr})$ and a function that has the same periodicity as the lattice.
-The latter one can be expressed by a Fourier series, i.e. a discrete set of plane waves whose wave vectors just correspond to reciprocal lattice vectors $\vec{G}$ of the crystal.
+The latter one can be expressed by a Fourier series, i.e.\ a discrete set of plane waves whose wave vectors just correspond to reciprocal lattice vectors $\vec{G}$ of the crystal.
 Thus, the one-electron wave function $\Phi_i(\vec{r})$ associated with the wave vector $\vec{k}$ can be expanded in terms of a discrete PW basis set
 \begin{equation}
 \Phi_i(\vec{r})=\sum_{\vec{G}
@@ -505,7 +508,7 @@ This fact is exploited in the pseudopotential (PP) approach \cite{cohen70} by re
 This way, the pseudo wave functions become smooth near the nuclei.
 
 Most PPs satisfy four general conditions.
-The pseudo wave functions generated by the PP should not contain nodes, i.e. the pseudo wave functions should be smooth and free of wiggles in the core region.
+The pseudo wave functions generated by the PP should not contain nodes, i.e.\ the pseudo wave functions should be smooth and free of wiggles in the core region.
 Outside the core region, the pseudo and real valence wave functions as well as the generated charge densities need to be identical.
 The charge enclosed within the core region must be equal for both wave functions.
 Last, almost redundantly, the valence all-electron and pseudopotential eigenvalues must be equal.
@@ -520,10 +523,10 @@ Pseudopotentials that meet the conditions outlined above are referred to as norm
 In order to achieve these properties different PPs are required for the different shapes of the orbitals, which are determined by their angular momentum.
 Mathematically, a non-local PP, which depends on the angular momentum, has the form
 \begin{equation}
-V_{\text{nl}}(\vec{r}) = \sum_{lm} \mid lm \rangle V_l(\vec{r}) \langle lm \mid
+V_{\text{nl}}(\vec{r}) = \sum_{lm} | lm \rangle V_l(\vec{r}) \langle lm |
 \text{ .}
 \end{equation}
-Applying of the operator $V_{\text{nl}}(\vec{r})$ decomposes the electronic wave functions into spherical harmonics $\mid lm \rangle$, i.e. the orbitals with azimuthal angular momentum $l$ and magnetic number $m$, which are then multiplied by the respective pseudopotential $V_l(\vec{r})$ for angular momentum $l$.
+Applying of the operator $V_{\text{nl}}(\vec{r})$ decomposes the electronic wave functions into spherical harmonics $| lm \rangle$, i.e.\ the orbitals with azimuthal angular momentum $l$ and magnetic number $m$, which are then multiplied by the respective pseudopotential $V_l(\vec{r})$ for angular momentum $l$.
 The standard generation procedure of pseudopotentials proceeds by varying its parameters until the pseudo eigenvalues are equal to the all-electron valence eigenvalues and the pseudo wave functions match the all-electron valence wave functions beyond a certain cut-off radius determining the core region.
 Modified methods to generate ultra-soft pseudopotentials were proposed, which address the rapid convergence with respect to the size of the plane wave basis set \cite{vanderbilt90,troullier91}.
 
@@ -538,7 +541,7 @@ However, to calculate quantities like the total energy or charge density, these
 Since the values of the wave function within a small interval around $\vec{k}$ are almost identical, it is possible to approximate the infinite sum by a sum over an affordable number of $k$ points, each representing the respective region of the wave function in $\vec{k}$ space. 
 Methods have been derived for obtaining very accurate approximations by a summation over special sets of $\vec{k}$ points with distinct, associated weights \cite{baldereschi73,chadi73,monkhorst76}.
 If present, symmetries in reciprocal space may further reduce the number of calculations.
-For supercells, i.e. repeating unit cells that contain several primitive cells, restricting the sampling of the Brillouin zone (BZ) to the $\Gamma$ point can yield quite accurate results.
+For supercells, i.e.\ repeating unit cells that contain several primitive cells, restricting the sampling of the Brillouin zone (BZ) to the $\Gamma$ point can yield quite accurate results.
 In fact, with respect to BZ sampling, calculating wave functions of a supercell containing $n$ primitive cells for only one $\vec{k}$ point is equivalent to the scenario of a single primitive cell and the summation over $n$ points in $\vec{k}$ space.
 In general, finer $\vec{k}$ point meshes better account for the periodicity of a system, which in some cases, however, might be fictitious anyway.
 
@@ -548,10 +551,10 @@ Up to this point, the system is in the ground state with respect to the electron
 To investigate equilibrium structures, however, the ionic subsystem must also be allowed to relax into a minimum energy configuration.
 Local minimum configurations can be easily obtained in a MD-like way by moving the nuclei over small distances along the directions of the forces, as discussed in the MD chapter above.
 Clearly, the conjugate gradient method constitutes a more sophisticated scheme, which will locate the equilibrium positions of the ions more rapidly.
-To find the global minimum, i.e. the absolute ground state, methods like simulated annealing or the Monte Carlo technique, which allow the system to escape local minima, have to be used for the search.
+To find the global minimum, i.e.\ the absolute ground state, methods like simulated annealing or the Monte Carlo technique, which allow the system to escape local minima, have to be used for the search.
 
 The force on an ion is given by the negative derivative of the total energy with respect to the position of the ion.
-However, moving an ion, i.e. altering its position, changes the wave functions to the KS eigenstates corresponding to the new ionic configuration.
+However, moving an ion, i.e.\ altering its position, changes the wave functions to the KS eigenstates corresponding to the new ionic configuration.
 Writing down the derivative of the total energy $E$ with respect to the position $\vec{R}_i$ of ion $i$
 \begin{equation}
 \frac{dE}{d\vec{R_i}}=
@@ -577,7 +580,7 @@ An empty lattice site, which would be occupied in the perfect crystal structure,
 If an additional atom is incorporated into the perfect crystal, this is called interstitial defect.
 A substitutional defect exists, if an atom belonging to the perfect crystal is replaced with an atom of another species.
 The disturbance caused by these defects may result in the distortion of the surrounding atomic structure and is accompanied by an increase in configurational energy.
-Thus, next to the structure of the defect, the energy needed to create such a defect, i.e. the defect formation energy, is an important value characterizing the defect and likewise determining its relative stability.
+Thus, next to the structure of the defect, the energy needed to create such a defect, i.e.\ the defect formation energy, is an important value characterizing the defect and likewise determining its relative stability.
 
 The formation energy of a defect is defined by
 \begin{equation}
@@ -586,7 +589,7 @@ E_{\text{f}}=E-\sum_i N_i\mu_i
 \label{eq:basics:ef2}
 \end{equation}
 where $E$ is the total energy of the interstitial structure involving $N_i$ atoms of type $i$ with chemical potential $\mu_i$.
-Here, the chemical potentials are determined by the chemical potential of the respective equilibrium bulk structure, i.e. the cohesive energy per atom for the fully relaxed structure at zero temperature and pressure.
+Here, the chemical potentials are determined by the chemical potential of the respective equilibrium bulk structure, i.e.\ the cohesive energy per atom for the fully relaxed structure at zero temperature and pressure.
 Considering C interstitial defects in Si, the chemical potential for C could also be determined by the cohesive energies of Si and SiC according to the relation $\mu_{\text{C}}=\mu_{\text{SiC}}-\mu_{\text{Si}}$ of the chemical potentials.
 In this way, SiC is chosen as a reservoir for the C impurity.
 For defect configurations consisting of a single atom species the formation energy reduces to
@@ -612,7 +615,7 @@ E_{\text{f}}^{2^{\text{nd}}}
 \end{equation}
 where the formation energies $E_{\text{f}}^{\text{comb}}$, $E_{\text{f}}^{1^{\text{st}}}$ and $E_{\text{f}}^{2^{\text{nd}}}$ are determined as discussed above.
 Accordingly, energetically favorable configurations result in binding energies below zero while unfavorable configurations show positive values for the binding energy.
-The interaction strength, i.e. the absolute value of the binding energy, approaches zero for increasingly non-interacting isolated defects.
+The interaction strength, i.e.\ the absolute value of the binding energy, approaches zero for increasingly non-interacting isolated defects.
 Thus, $E_{\text{b}}$ indeed can be best thought of a binding energy, which is required to bring the defects to infinite separation.
 
 The methods presented in the last two chapters can be used to investigate defect structures and energetics.
@@ -630,7 +633,7 @@ Since the supercell approach applies periodic boundary conditions enough bulk ma
 \caption[Insertion positions for interstitial defect atoms in the diamond lattice.]{Insertion positions for the tetrahedral ({\color{red}$\bullet$}), hexagonal  ({\color{green}$\bullet$}), \hkl<1 0 0> dumbbell ({\color{yellow}$\bullet$}), \hkl<1 1 0> dumbbell ({\color{magenta}$\bullet$}) and bond-centered ({\color{cyan}$\bullet$}) interstitial defect atom in the diamond lattice. The black dots correspond to the lattice atoms and the blue lines indicate the covalent bonds of the perfect diamond structure.}
 \label{fig:basics:ins_pos}
 \end{figure}
-The respective estimated interstitial insertion positions for various interstitial structures in a diamond lattice are displayed in Fig. \ref{fig:basics:ins_pos}.
+The respective estimated interstitial insertion positions for various interstitial structures in a diamond lattice are displayed in Fig.~\ref{fig:basics:ins_pos}.
 The labels of the interstitial types indicate their positions in the interstitial lattice.
 In a dumbbell (DB) configuration two atoms share a single lattice site along a certain direction that is also comprehended in the label of the defect.
 For the DB configurations the nearest atom of the bulk lattice is slightly displaced by $(0,0,-1/8)$ and $(-1/8,-1/8,0)$ of the unit cell length respectively.
@@ -655,7 +658,7 @@ The path exhibiting the minimal energy difference determines the diffusion path
 \end{figure}
 One possibility to compute the migration path from one stable configuration into another one is provided by the constrained relaxation technique (CRT) \cite{kaukonen98}.
 The atoms involving great structural changes in the diffusion process are moved stepwise from the starting to the final position and relaxation after each step is only allowed in the plane perpendicular to the direction of the vector connecting its starting and final position.
-This is illustrated in Fig. \ref{fig:basics:crto}.
+This is illustrated in Fig.~\ref{fig:basics:crto}.
 The number of steps required for smooth transitions depends on the shape of the potential energy surface.
 No constraints are applied to the remaining atoms to allow for the relaxation of the surrounding lattice.
 To prevent the remaining lattice to shift according to the displacement of the defect, however, some atoms far away from the defect region should be fixed in all three coordinate directions.
@@ -664,12 +667,12 @@ Abrupt changes in structure and configurational energy occurred among relaxed st
 For some structures even the expected final configurations are not obtained.
 Thus, the method mentioned above is adjusted adding further constraints in order to obtain smooth transitions with respect to energy and structure.
 In the modified method all atoms are stepwise displaced towards their final positions.
-In addition to this, relaxation of each individual atom is only allowed in the plane perpendicular to the last individual displacement vector, as displayed in Fig. \ref{fig:basics:crtm}.
+In addition to this, relaxation of each individual atom is only allowed in the plane perpendicular to the last individual displacement vector, as displayed in Fig.~\ref{fig:basics:crtm}.
 In the modified version respective energies could be higher than the real ones due to the additional constraints that prevent a more adequate relaxation until the final configuration is reached.
 
-Structures of maximum configurational energy do not necessarily constitute saddle point configurations, i .e. the method does not guarantee to find the true minimum energy path.
+Structures of maximum configurational energy do not necessarily constitute saddle point configurations, i.e.\ the method does not guarantee to find the true minimum energy path.
 Whether a saddle point configuration and, thus, the minimum energy path is obtained by the CRT method, needs to be verified by calculating the respective vibrational modes.
-Modifications used to add the CRT feature to the {\textsc vasp} code and a short instruction on how to use it can be found in appendix \ref{app:patch_vasp}.
+Modifications used to add the CRT feature to the \textsc{vasp} code and a short instruction on how to use it can be found in appendix \ref{app:patch_vasp}.
 
 % todo - advantages of pw basis concenring hf forces