forgot to change ...
[lectures/latex.git] / posic / thesis / d_tersoff.tex
index cb2e96b..b031be2 100644 (file)
@@ -3,7 +3,7 @@
 
   \section{Form of the Tersoff potential and its derivative}
 
-The Tersoff potential is of the form
+The Tersoff potential~\cite{tersoff_m} is of the form
 \begin{eqnarray}
 E & = & \sum_i E_i = \frac{1}{2} \sum_{i \ne j} V_{ij} \textrm{ ,} \\
 V_{ij} & = & f_C(r_{ij}) [ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) ] \textrm{ .}
@@ -22,7 +22,7 @@ with
 \zeta_{ij} & = & \sum_{k \ne i,j} f_C (r_{ik}) \omega_{ik} g(\theta_{ijk}) \textrm{ ,}\\
 g(\theta_{ijk}) & = & 1 + c_i^2/d_i^2 - c_i^2/[d_i^2 + (h_i - \cos \theta_{ijk})^2] \textrm{ .}
 \end{eqnarray}
-The cutoff function $f_C$ is taken to be
+The cut-off function $f_C$ is taken to be
 \begin{equation}
 f_C(r_{ij}) = \left\{
   \begin{array}{ll}
@@ -32,15 +32,15 @@ f_C(r_{ij}) = \left\{
     0, & r_{ij} > S_{ij}
   \end{array} \right.
 \end{equation}
-with $\theta_{ijk}$ being the bond angle between bonds $ij$ and $ik$ as shown in Figure \ref{img:tersoff_angle}.\\
+with $\theta_{ijk}$ being the bond angle between bonds $ij$ and $ik$ as shown in Figure~\ref{img:tersoff_angle}.\\
 \\
 For a three body potential, if $V_{ij}$ is not equal to $V_{ji}$, the derivative is of the form
 \begin{equation}
 \nabla_{{\bf r}_i} E = \frac{1}{2} \big[ \sum_j ( \nabla_{{\bf r}_i} V_{ij} + \nabla_{{\bf r}_i} V_{ji} ) + \sum_k \sum_j \nabla_{{\bf r}_i} V_{jk} \big] \textrm{ .}
 \end{equation}
-In the following all the necessary derivatives to calculate $\nabla_{{\bf r}_i} E$ are done.
+In the following, all the necessary derivatives to calculate $\nabla_{{\bf r}_i} E$ are written down.
 
-  \section{Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_i$}
+  \section[Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${r}_i$]{\boldmath Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_i$}
 
 \begin{eqnarray}
 \nabla_{{\bf r}_i} V_{ij} & = & \nabla_{{\bf r}_i} f_C(r_{ij}) \big[ f_R(r_{ij}) + b_{ij} f_A(r_{ij}) \big] + \nonumber \\
@@ -67,7 +67,7 @@ In the following all the necessary derivatives to calculate $\nabla_{{\bf r}_i}
  & = & \Big[ \frac{\cos\theta_{ijk}}{r_{ij}^2} - \frac{1}{r_{ij} r_{ik}} \Big] {\bf r}_{ij} + \Big[ \frac{\cos\theta_{ijk}}{r_{ik}^2} - \frac{1}{r_{ij} r_{ik}} \Big] {\bf r}_{ik}
 \end{eqnarray}
 
-  \section{Derivative of $V_{ji}$ with respect to ${\bf r}_i$}
+  \section[Derivative of $V_{ji}$ with respect to ${r}_i$]{\boldmath Derivative of $V_{ji}$ with respect to ${\bf r}_i$}
 
 \begin{eqnarray}
 \nabla_{{\bf r}_i} V_{ji} & = & \nabla_{{\bf r}_i} f_C(r_{ji}) \big[ f_R(r_{ji}) + b_{ji} f_A(r_{ji}) \big] + \nonumber \\
@@ -95,7 +95,7 @@ In the following all the necessary derivatives to calculate $\nabla_{{\bf r}_i}
  & = & \frac{1}{r_{ji} r_{jk}} {\bf r}_{jk} - \frac{\cos\theta_{jik}}{r_{ji}^2} {\bf r}_{ji}
 \end{eqnarray}
 
-  \section{Derivative of $V_{jk}$ with respect to ${\bf r}_i$}
+  \section[Derivative of $V_{jk}$ with respect to ${r}_i$]{\boldmath Derivative of $V_{jk}$ with respect to ${\bf r}_i$}
 
 \begin{eqnarray}
 \nabla_{{\bf r}_i} V_{jk} & = & f_C(r_{jk}) f_A(r_{jk}) \nabla_{{\bf r}_i} b_{jk} \\
@@ -109,7 +109,7 @@ In the following all the necessary derivatives to calculate $\nabla_{{\bf r}_i}
 
   \section{Implementation issues}
 
-As seen in the last sections the derivatives of $V_{ij}$, $V_{ji}$ and $V_{jk}$
+As seen in the last sections, the derivatives of $V_{ij}$, $V_{ji}$ and $V_{jk}$
 with respect to ${\bf r}_i$ are necessary to compute the forces for atom $i$.
 According to this, for every triple $(ijk)$ the derivatives of the three
 potential contributions, denoted by $V_{ijk}$, $V_{jik}$ and $V_{jki}$
@@ -118,7 +118,7 @@ In simulation, however, it is not practical to evaluate all three potential
 derivatives for each $(ijk)$ triple.
 The $V_{jik}$ and $V_{jki}$ potential and its derivatives will be calculated
 in subsequent loops anyways.
-To avoid multiple computation of the same potential derivatives
+To avoid multiple computation of the same potential derivatives,
 the force contributions for atom $j$ and $k$ due to the $V_{ijk}$ contribution
 have to be considered by calculating the derivatives of $V_{ijk}$
 with respect to ${\bf r}_j$ and ${\bf r}_k$
@@ -128,9 +128,7 @@ This poses a more convenient method to obtain the forces
 keeping in mind that all the necessary force contributions for atom $i$
 are calculated and added in subsequent loops.
 
-The following symmetry considerations help to obtain the 
-
-  \subsection{Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_j$}
+\subsection[Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${r}_j$]{\boldmath Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_j$}
 
 \begin{eqnarray}
  \nabla_{{\bf r}_j} V_{ij} & = &
@@ -140,24 +138,24 @@ The following symmetry considerations help to obtain the
  b_{ij} \nabla_{{\bf r}_j} f_A(r_{ij}) +
  f_A(r_{ij}) \nabla_{{\bf r}_j} b_{ij} \big]
 \end{eqnarray}
-Using the equality $\nabla_{{\bf r}_i} r_{ij}=-\nabla_{{\bf r}_j} r_{ij}$
+Using the equality $\nabla_{{\bf r}_i} r_{ij}=-\nabla_{{\bf r}_j} r_{ij}$,
 the following relations are valid:
 \begin{eqnarray}
  \nabla_{{\bf r}_j} f_R(r_{ij}) &=& - \nabla_{{\bf r}_i} f_R(r_{ij}) \\
  \nabla_{{\bf r}_j} f_A(r_{ij}) &=& - \nabla_{{\bf r}_i} f_A(r_{ij}) \\
  \nabla_{{\bf r}_j} f_C(r_{ij}) &=& - \nabla_{{\bf r}_i} f_C(r_{ij})
 \end{eqnarray}
-The pair contributions .... easy.
-Now having a look at $b_{ij}$.
+The pair contributions are, thus, easily obtained.
+The contribution of the bond order term is given by:
 \begin{eqnarray}
  \nabla_{{\bf r}_j}\cos\theta_{ijk} &=&
- \nabla_{{\bf r}_j}\Big(\frac{{\bf r}_{ij}{\bf }r_{ik}}{r_{ij}r_{ik}}\Big)
+ \nabla_{{\bf r}_j}\Big(\frac{{\bf r}_{ij}{\bf r}_{ik}}{r_{ij}r_{ik}}\Big)
  \nonumber \\
  &=& \frac{1}{r_{ij}r_{ik}}{\bf r}_{ik} -
      \frac{\cos\theta_{ijk}}{r_{ij}^2}{\bf r}_{ij}
 \end{eqnarray}
 
-  \subsection{Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_k$}
+\subsection[Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${r}_k$]{\boldmath Derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_k$}
 
 The derivative of $V_{ij}$ with respect to ${\bf r}_k$ just consists of the
 single term
@@ -172,14 +170,14 @@ vanish.
  \nabla_{{\bf r}_k} f_A(r_{ij}) &=& 0 \\
  \nabla_{{\bf r}_k} f_C(r_{ij}) &=& 0
 \end{eqnarray}
-Now look at $b_{ij}$, not only angle important here!
+Concerning $b_{ij}$, in addition to the angular term, the derivative of the cut-off function has to be considered.
 \begin{eqnarray}
  \nabla_{{\bf r}_k}\zeta_{ij} &=&
  g(\theta_{ijk})\nabla_{{\bf r}_k}f_C(r_{ik}) +
  f_C(r_{ik})\nabla_{{\bf r}_k}g(\theta_{ijk}) \\
  \nabla_{{\bf r}_k}f_C(r_{ik}) &=& - \nabla_{{\bf r}_i}f_C(r_{ik}) \\
  \nabla_{{\bf r}_k}\cos\theta_{ijk} &=&
- \nabla_{{\bf r}_k}\Big(\frac{{\bf r}_{ij}{\bf }r_{ik}}{r_{ij}r_{ik}}\Big)
+ \nabla_{{\bf r}_k}\Big(\frac{{\bf r}_{ij}{\bf r}_{ik}}{r_{ij}r_{ik}}\Big)
  \nonumber \\
  &=&\frac{1}{r_{ij}r_{ik}}{\bf r}_{ij} -
  \frac{\cos\theta_{ijk}}{r_{ik}^2}{\bf r}_{ik}
@@ -187,9 +185,8 @@ Now look at $b_{ij}$, not only angle important here!
 
   \subsection{Code realization}
 
-The implementation of the force evaluation shown in the following
-is applied to the potential designed by Erhard and Albe.
-There are slight differences comparted to the original potential by Tersoff:
+The implementation of the force evaluation shown in the following is applied to the potential designed by Erhart and Albe~\cite{albe_sic_pot}.
+There are slight differences compared to the original potential by Tersoff:
 \begin{itemize}
  \item Difference in sign of the attractive part.
  \item $c$, $d$ and $h$ values depend on atom $k$ in addition to atom $i$.
@@ -198,11 +195,14 @@ There are slight differences comparted to the original potential by Tersoff:
  \item The exponent of the $b$ term is constantly $-\frac{1}{2}$.
 \end{itemize}
 These differences actually slightly ease code realization.
+The respective flow chart is displayed in Fig.~\ref{fig:flowchart}.
 
 \begin{figure}
 \renewcommand\labelitemi{}
 \renewcommand\labelitemii{}
 \renewcommand\labelitemiii{}
+{\small
+\fbox{\begin{minipage}{\textwidth}
 LOOP i \{
 \begin{itemize}
  \item // nop (only used in orig. Tersoff)
@@ -214,13 +214,13 @@ LOOP i \{
  \item LOOP j \{
        \begin{itemize}
         \item $\zeta_{ij}=0$
-        \item set $S_{ij}$ (cutoff)
+        \item set $S_{ij}$ (cut-off)
         \item calculate: $r_{ij}$, $r_{ij}^2$
         \item IF $r_{ij} > S_{ij}$ THEN CONTINUE
        \item
        \item LOOP k \{
              \begin{itemize}
-               \item set $ik$-depending values
+               \item set $ik$-dependent values
                \item calculate: $r_{ik}$, $r_{ik}^2$
               \item IF $r_{ik} > S_{ik}$ THEN CONTINUE
               \item calculate: $\theta_{ijk}$, $\cos(\theta_{ijk})$,
@@ -267,7 +267,9 @@ f_C(r_{ik})dg(\theta_{ijk})\nabla_{{\bf r}_k}\cos\theta_{ijk}\big)$
  \item \}
 \end{itemize}
 \}
-\caption{Implementation of the force evaluation for Tersoff like bond-order
-         potentials using pseudocode.}
+\end{minipage}}
+}
+\caption{Flow chart of the force evaluation for Tersoff-like bond order potentials using pseudocode.}
+\label{fig:flowchart}
 \end{figure}