Merge branch 'master' of hackdaworld.org:/chroot/git/lectures/latex
[lectures/latex.git] / posic / thesis / defects.tex
index 2206dee..1b53d4e 100644 (file)
@@ -568,7 +568,7 @@ Todo: To refine the migration barrier one has to find the saddle point structure
 
 \begin{figure}[h]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=13cm]{im_00-1_nosym_sp_fullct_thesis.ps}\\[0.5cm]
+\includegraphics[width=13cm]{im_00-1_nosym_sp_fullct_thesis.ps}\\[1.5cm]
 \begin{picture}(0,0)(150,0)
 \includegraphics[width=2.5cm]{vasp_mig/00-1.eps}
 \end{picture}
@@ -595,7 +595,7 @@ In a second process 0.25 eV of energy are needed for the system to revert into a
 
 \begin{figure}[h]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=13cm]{vasp_mig/00-1_0-10_nosym_sp_fullct.ps}\\[0.5cm]
+\includegraphics[width=13cm]{vasp_mig/00-1_0-10_nosym_sp_fullct.ps}\\[1.6cm]
 \begin{picture}(0,0)(140,0)
 \includegraphics[width=2.5cm]{vasp_mig/00-1_a.eps}
 \end{picture}
@@ -620,7 +620,7 @@ The resulting migration barrier of approximately 0.9 eV is very close to the exp
 
 \begin{figure}[h]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=13cm]{vasp_mig/00-1_ip0-10_nosym_sp_fullct.ps}\\[0.5cm]
+\includegraphics[width=13cm]{vasp_mig/00-1_ip0-10_nosym_sp_fullct.ps}\\[1.8cm]
 \begin{picture}(0,0)(140,0)
 \includegraphics[width=2.2cm]{vasp_mig/00-1_b.eps}
 \end{picture}
@@ -652,4 +652,137 @@ In addition the bond-ceneterd configuration, for which spin polarized calculatio
 
 \section{Combination of point defects}
 
-
+The structural and energetic properties of combinations of point defects are investigated in the following.
+The focus is on combinations of the \hkl<0 0 -1> dumbbell interstitial with a second defect.
+The second defect is either another \hkl<1 0 0>-type interstitial occupying different orientations, a vacany or a substitutional carbon atom.
+Several distances of the two defects are examined.
+Investigations are restricted to quantum-mechanical calculations.
+\begin{figure}[h]
+\begin{center}
+\begin{minipage}{7.5cm}
+\includegraphics[width=7cm]{comb_pos.eps}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{6.0cm}
+\underline{Positions given in $a_{\text{Si}}$}\\[0.3cm]
+Initial interstitial I: $\frac{1}{4}\hkl<1 1 1>$\\
+Relative silicon neighbour positions:
+\begin{enumerate}
+ \item $\frac{1}{4}\hkl<1 1 -1>$, $\frac{1}{4}\hkl<-1 -1 -1>$
+ \item $\frac{1}{2}\hkl<1 0 1>$, $\frac{1}{2}\hkl<0 1 -1>$,\\[0.2cm]
+       $\frac{1}{2}\hkl<0 -1 -1>$, $\frac{1}{2}\hkl<-1 0 -1>$
+ \item $\frac{1}{4}\hkl<1 -1 1>$, $\frac{1}{4}\hkl<-1 1 1>$
+ \item $\frac{1}{4}\hkl<-1 1 -3>$, $\frac{1}{4}\hkl<1 -1 -3>$
+ \item $\frac{1}{2}\hkl<-1 -1 0>$, $\frac{1}{2}\hkl<1 1 0>$
+\end{enumerate}
+\end{minipage}\\
+\begin{picture}(0,0)(190,20)
+\includegraphics[width=2.3cm]{100_arrow.eps}
+\end{picture}
+\begin{picture}(0,0)(220,0)
+\includegraphics[height=2.2cm]{001_arrow.eps}
+\end{picture}
+\end{center}
+\caption[\hkl<0 0 -1> dumbbell interstitial defect and positions of next neighboured silicon atoms used for the second defect.]{\hkl<0 0 -1> dumbbell interstitial defect and positions of next neighboured silicon atoms used for the second defect. Two possibilities exist for red numbered atoms and four possibilities exist for blue numbered atoms.}
+\label{fig:defects:pos_of_comb}
+\end{figure}
+\begin{table}[h]
+\begin{center}
+\begin{tabular}{l c c c c c}
+\hline
+\hline
+ & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\
+ \hline
+ \hkl<0 0 -1> & {\color{red}-0.08} & -1.15 & {\color{red}-0.08} & 0.04 & -1.66\\
+ \hkl<0 0 1> & 0.34 & 0.004 & -2.05 & 0.26 & -1.53\\
+ \hkl<0 -1 0> & {\color{orange}-2.39} & -2.16 & {\color{green}-0.10} & {\color{blue}-0.27} & {\color{magenta}-1.88}\\
+ \hkl<0 1 0> & {\color{cyan}-2.25} & -0.36 & {\color{cyan}-2.25} & {\color{purple}-0.12} & {\color{violet}-1.38}\\
+ \hkl<-1 0 0> & {\color{orange}-2.39} & -1.90 & {\color{cyan}-2.25} & {\color{purple}-0.12} & {\color{magenta}-1.88}\\
+ \hkl<1 0 0> & {\color{cyan}-2.25} & -0.17 & {\color{green}-0.10} & {\color{blue}-0.27} & {\color{violet}-1.38} \\
+ \hline
+ C substitutional (C$_{\text{S}}$) & 0.26 & -0.51 & -0.93 & -0.15 & 0.49 \\
+ Vacancy & -5.39 ($\rightarrow$ C$_{\text{S}}$) & -0.59 & -3.14 & -0.54 & -0.50 \\
+\hline
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+\caption[Energetic results of defect combinations.]{Energetic results of defect combinations. The given energies in eV are defined by equation \eqref{eq:defects:e_of_comb}. Equivalent configurations are marked by identical colors. The first column lists the types of the second defect combined with the initial \hkl<0 0 -1> dumbbell interstitial. The position index of the second defect is given in the first row according to figure \ref{fig:defects:pos_of_comb}.}
+\label{tab:defects:e_of_comb}
+\end{table}
+Figure \ref{fig:defects:pos_of_comb} shows the initial \hkl<0 0 -1> dumbbell interstitial defect and the positions of next neighboured silicon atoms used for the second defect.
+Table \ref{tab:defects:e_of_comb} summarizes energetic results obtained after relaxation of the defect combinations.
+The energy of interest $E_{\text{b}}$ is defined to be
+\begin{equation}
+E_{\text{b}}=
+E_{\text{f}}^{\text{defect combination}}-
+E_{\text{f}}^{\text{C \hkl<0 0 -1> dumbbell}}-
+E_{\text{f}}^{\text{2nd defect}}
+\label{eq:defects:e_of_comb}
+\end{equation}
+with $E_{\text{f}}^{\text{defect combination}}$ being the formation energy of the defect combination, $E_{\text{f}}^{\text{C \hkl<0 0 -1> dumbbell}}$ being the formation energy of the C \hkl<0 0 -1> dumbbell interstitial defect and $E_{\text{f}}^{\text{2nd defect}}$ being the formation energy of the second defect.
+For defects far away from each other the formation energy of the defect combination should approximately become the sum of the formation energies of the individual defects without an interaction resulting in $E_{\text{b}}=0$.
+Thus, $E_{\text{b}}$ can be best thought of a binding energy, which is required to bring the defects to infinite separation.
+In fact, further \hkl<0 0 -1> dumbbell interstitials created at position $\frac{a_{\text{Si}}}{2}\hkl<3 2 3>$ ($\approx 10.2$ \AA) and $\frac{a_{\text{Si}}}{2}\hkl<2 3 2>$ ($\approx 12.8$ \AA) relative to the initial one result in energies as low as -0.19 eV and -0.12 eV.
+There is still a low interaction which is due to the equal orientation of the defects.
+By changing the orientation of the second dumbbell interstitial to the \hkl<0 -1 0>-type the interaction is even mor reduced, which results in an energy of $E_{\text{b}}=...\text{ eV}$ for a distance of $\frac{a_{\text{Si}}}{2}\hkl<2 3 2>$, which is the maximum that can be reached due to periodic boundary conditions.
+Configurations wih energies greater than zero are energetically unfavorable and expose a repulsive interaction.
+These configurations are unlikely to arise or to persist for non-zero temperatures.
+Energies below zero indicate configurations favored compared to configurations in which these point defects are separated far away from each other.
+
+Investigating the first part of table \ref{tab:defects:e_of_comb}, namely the combinations with another \hkl<1 0 0>-type interstitial, most of the combinations result in energies below zero.
+Surprisingly the most favorable configurations are the ones with the second defect created at the very next silicon neighbour and a change in orientation compared to the initial one.
+This leads to the conclusion that an agglomeration of C-Si dumbbell interstitials as proposed by the precipitation model introduced in section \ref{section:assumed_prec} is indeed an energetically favored configuration of the system.
+The reason for nearby interstitials being favored compared to isolated ones is most probably the reduction of strain energy enabled by combination in contrast to the strain energy created by two individual defects.
+\begin{figure}[h]
+\begin{center}
+\begin{minipage}[t]{7cm}
+a) \underline{$E_{\text{b}}=-2.25\text{ eV}$}
+\begin{center}
+\includegraphics[width=6cm]{00-1dc/2-25.eps}
+\end{center}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}[t]{7cm}
+b) \underline{$E_{\text{b}}=-2.39\text{ eV}$}
+\begin{center}
+\includegraphics[width=6cm]{00-1dc/2-39.eps}
+\end{center}
+\end{minipage}
+\end{center}
+\caption{Relaxed structures of defect complexes obtained by creating a) \hkl<1 0 0> and b) \hkl<0 -1 0> dumbbels at position 1.}
+\label{fig:defects:comb_db_01}
+\end{figure}
+Figure \ref{fig:defects:comb_db_01} shows the structure of these two configurations.
+The displayed configurations are realized by creating a \hkl<1 0 0> (a)) and \hkl<0 -1 0> (b)) dumbbell at position 1.
+Structure \ref{fig:defects:comb_db_01} b) is the energetically most favorable configuration.
+After relaxation the initial configuration is still evident.
+As expected by the initialization conditions the two carbon atoms form a bond.
+This bond has a length of 1.38 \AA close to the nex neighbour distance in diamond or graphite, which is approximately 1.54 \AA.
+The minimum of binding energy observed for this configuration suggests prefered C clustering as a competing mechnism to the C-Si dumbbell interstitial agglomeration inevitable for the SiC precipitation.
+Todo: Activation energy to obtain a configuration of separated C atoms again or vice versa to obtain this configuration from separated C confs?
+However, for the second most favorable configuration, presented in figure \ref{fig:defects:comb_db_01} a), the amount of possibilities for this configuration is twice as high.
+In this configuration the two carbon atoms are spaced by 2.70 \AA.
+The initial Si (I) and C (I) dumbbell atoms are displaced along \hkl<1 0 0> and \hkl<-1 0 0> in such a way that the Si atom is forming tetrahedral bonds with two silicon and two carbon atoms.
+The carbon and silicon atom constituting the second defect are as well displaced in such a way, that the carbon atom forms tetrahedral bonds with four silicon neighbours, a configuration expected in silicon carbide.
+The Si atom numbered 2 is pushed towards the carbon atom, which results in the breaking of the bond to atom 4.
+The breaking of the $\sigma$ bond is indeed confirmed by investigating the charge density isosurface of this configuration.
+Todo: But is this configuration beneficial for SiC prec?
+
+001 at pos 2 looks as if there is no interaction.
+There is an interaction but in the same time strain is reduced due to the opposing orientations of the defects, which leads to this low energy value.
+
+Explanation of results of defects created along <110>.
+
+-1.90 ...
+
+-2.16 ...
+
+the more far-off ones:
+-0.27 and -0.12 ...
+but better ...
+-1.88 and -1.38 ...
+
+Minimum E (reorientation) per distance
+
+Todo: Si int and C sub ...
+Todo: Model of kick-out and kick-in mechnism?
+
+Todo: Jahn-Teller distortion (vacancy) $\rightarrow$ actually three possibilities! :(