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index 4164f87..486c6fc 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
 \chapter{Point defects in silicon}
+\label{chapter:defects}
 
 Given the conversion mechnism of SiC in crystalline silicon introduced in section \ref{section:assumed_prec} the understanding of carbon and silicon interstitial point defects in c-Si is of great interest.
 Both types of defects are examined in the following both by classical potential as well as density functional theory calculations.
@@ -16,44 +17,6 @@ The cell volume and shape is allowed to change using the pressure control algori
 Periodic boundary conditions in each direction are applied.
 All point defects are calculated for the neutral charge state.
 
-\begin{figure}[th]
-\begin{center}
-\includegraphics[width=9cm]{unit_cell_e.eps}
-\end{center}
-\caption[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 configuration.]{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 configuration. The black dots ({\color{black}$\bullet$}) correspond to the silicon atoms and the blue lines ({\color{blue}-}) indicate the covalent bonds of the perfect c-Si structure.}
-\label{fig:defects:ins_pos}
-\end{figure}
-
-The interstitial atom positions are displayed in figure \ref{fig:defects:ins_pos}.
-In seperated simulation runs the silicon or carbon atom is inserted at the
-\begin{itemize}
- \item tetrahedral, $\vec{r}=(0,0,0)$, ({\color{red}$\bullet$})
- \item hexagonal, $\vec{r}=(-1/8,-1/8,1/8)$, ({\color{green}$\bullet$})
- \item nearly \hkl<1 0 0> dumbbell, $\vec{r}=(-1/4,-1/4,-1/8)$, ({\color{yellow}$\bullet$})
- \item nearly \hkl<1 1 0> dumbbell, $\vec{r}=(-1/8,-1/8,-1/4)$, ({\color{magenta}$\bullet$})
- \item bond-centered, $\vec{r}=(-1/8,-1/8,-3/8)$, ({\color{cyan}$\bullet$})
-\end{itemize}
-interstitial position.
-For the dumbbell configurations the nearest silicon atom is displaced by $(0,0,-1/8)$ and $(-1/8,-1/8,0)$ respectively of the unit cell length to avoid too high forces.
-A vacancy or a substitutional atom is realized by removing one silicon atom and switching the type of one silicon atom respectively.
-
-From an energetic point of view the free energy of formation $E_{\text{f}}$ is suitable for the characterization of defect structures.
-For defect configurations consisting of a single atom species the formation energy is defined as
-\begin{equation}
-E_{\text{f}}=\left(E_{\text{coh}}^{\text{defect}}
-                  -E_{\text{coh}}^{\text{defect-free}}\right)N
-\label{eq:defects:ef1}
-\end{equation}
-where $N$ and $E_{\text{coh}}^{\text{defect}}$ are the number of atoms and the cohesive energy per atom in the defect configuration and $E_{\text{coh}}^{\text{defect-free}}$ is the cohesive energy per atom of the defect-free structure.
-The formation energy of defects consisting of two or more atom species is defined as
-\begin{equation}
-E_{\text{f}}=E-\sum_i N_i\mu_i
-\label{eq:defects:ef2}
-\end{equation}
-where $E$ is the free energy of the interstitial system and $N_i$ and $\mu_i$ are the amount of atoms and the chemical potential of species $i$.
-The chemical potential is determined by the cohesive energy of the structure of the specific type in equilibrium at zero Kelvin.
-For a defect configuration of a single atom species equation \eqref{eq:defects:ef2} is equivalent to equation \eqref{eq:defects:ef1}.
-
 \section{Silicon self-interstitials}
 
 Point defects in silicon have been extensively studied, both experimentally and theoretically \cite{fahey89,leung99}.
@@ -558,38 +521,6 @@ Thus, it is not responsible for long-range migration.
 The silicon dumbbell partner remains the same.
 The bond to the face-centered silicon atom at the bottom of the unit cell breaks and a new one is formed to the face-centered atom at the forefront of the unit cell.
 
-\begin{figure}[t!h!]
-\begin{center}
-\begin{minipage}{6cm}
-\underline{Original}\\
-\includegraphics[width=6cm]{crt_orig.eps}
-\end{minipage}
-\begin{minipage}{1cm}
-\hfill
-\end{minipage}
-\begin{minipage}{6cm}
-\underline{Modified}\\
-\includegraphics[width=6cm]{crt_mod.eps}
-\end{minipage}
-\end{center}
-\caption{Schematic of the constrained relaxation technique (CRT) (left) and of the modified version (right) used to obtain migration pathways and corresponding activation energies.}
-\label{fig:defects:crt}
-\end{figure}
-Since the starting and final structure, which are both local minima of the potential energy surface, are known, the aim is to find the minimum energy path from one local minimum to the other one.
-One method to find a minimum energy path is to move the diffusing atom stepwise from the starting to the final position and only allow relaxation in the plane perpendicular to the direction of the vector connecting its starting and final position.
-This is called the constrained relaxation technique (CRT), which is schematically displayed in the left part of figure \ref{fig:defects:crt}.
-No constraints are applied to the remaining atoms in order to allow relaxation of the surrounding lattice.
-To prevent the remaining lattice to migrate according to the displacement of the defect an atom far away from the defect region is fixed in all three coordinate directions.
-However, it turned out, that this method tremendously failed applying it to the present migration pathways and structures.
-Abrupt changes in structure and free energy occured among relaxed structures of two successive displacement steps.
-For some structures even the expected final configurations were never obtained.
-Thus, the method mentioned above was adjusted adding further constraints in order to obtain smooth transitions, either in energy as well as structure is concerned.
-In this new method all atoms are stepwise displaced towards their final positions.
-Relaxation of each individual atom is only allowed in the plane perpendicular to the last individual displacement vector, as displayed in the right part of figure \ref{fig:defects:crt}.
-The modifications used to add this feature to the VASP code and a short instruction on how to use it can be found in appendix \ref{app:patch_vasp}.
-Due to these constraints obtained activation energies can effectively be higher.
-{\color{red}Todo: To refine the migration barrier one has to find the saddle point structure and recalculate the free energy of this configuration with a reduced set of constraints.}
-
 \subsection{Migration barriers obtained by quantum-mechanical calculations}
 
 In the following migration barriers are investigated using quantum-mechanical calculations.
@@ -729,7 +660,7 @@ Results are presented in figure \ref{fig:defects:00-1_0-10_cmp}.
 The method without updating the constraints but still applying them to all atoms shows a delayed crossing of the saddle point.
 This is understandable since the update results in a more aggressive advance towards the final configuration.
 In any case the barrier obtained is slightly higher, which means that it does not constitute an energetically more favorable pathway.
-The method in which the constraints are only applied to the diffusing C atom and two Si atoms, ... {\color{red}in progress} ...
+The method in which the constraints are only applied to the diffusing C atom and two Si atoms, ... {\color{red}Todo: does not work!} ...
 
 \subsection{Migration barriers obtained by classical potential calculations}
 \label{subsection:defects:mig_classical}
@@ -840,7 +771,7 @@ The \hkl<1 1 0> configuration seems to play a decisive role in all migration pat
 In the first migration path it is the configuration resulting from further relaxation of the rather unstable bond-centered configuration, which is fixed to be a transition point in the migration calculations.
 The last two  pathways show configurations almost identical to the \hkl<1 1 0> configuration, which constitute a local minimum within the pathway.
 Thus, migration pathways with the \hkl<1 1 0> C-Si dumbbell interstitial configuration as a starting or final configuration are further investigated.
-\begin{figure}[ht!]
+\begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
 \includegraphics[width=13cm]{110_mig.ps}
 \end{center}
@@ -979,7 +910,7 @@ 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.
-{\color{red}Todo: Activation energies to obtain separated C confs currently in progress - could be added in the combined defect migration chapter and mentioned here, too!}
+{\color{red}Todo: Activation energies to obtain separated C confs FAILED (again?) - could be added in the combined defect migration chapter and mentioned here, too!}
 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 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.
@@ -1251,7 +1182,7 @@ Thus, combinations of substitutional C and an additional Si self-interstitial ar
 The ground state of a single Si self-interstitial was found to be the Si \hkl<1 1 0> self-interstitial configuration.
 For the follwoing study the same type of self-interstitial is assumed to provide the energetically most favorable configuration in combination with substitutional C.
 
-\begin{table}[ht!]
+\begin{table}[!ht]
 \begin{center}
 \begin{tabular}{l c c c c c c}
 \hline
@@ -1271,7 +1202,7 @@ C$_{\text{sub}}$ & \hkl<1 1 0> & \hkl<-1 1 0> & \hkl<0 1 1> & \hkl<0 -1 1> &
 \caption{Equivalent configurations of \hkl<1 1 0>-type Si self-interstitials created at position I of figure \ref{fig:defects:pos_of_comb} and substitutional C created at positions 1 to 5.}
 \label{tab:defects:comb_csub_si110}
 \end{table}
-\begin{table}[ht!]
+\begin{table}[!ht]
 \begin{center}
 \begin{tabular}{l c c c c c c c c c c}
 \hline
@@ -1321,7 +1252,11 @@ In the same way the energetically most unfavorable configuration can be explaine
 The substitutional C is located next to the lattice site shared by the \hkl<1 1 0> Si self-interstitial along the \hkl<1 -1 0> direction.
 Thus, the compressive stress along \hkl<1 1 0> of the Si \hkl<1 1 0> interstitial is not compensated but intensified by the tensile stress of the substitutional C atom, which is no longer loacted along the direction of stress.
 
-{\color{red}Todo: Mig of C-Si DB conf to or from C sub + Si 110 int conf.}
+{\color{red}Todo: Erhart/Albe calc for most and less favorable configuration!}
+
+{\color{red}Todo: Mig of C-Si DB conf to or from C sub + Si 110 in progress.}
+
+{\color{red}Todo: Mig of Si DB located next to a C sub (also by MD!).}
 
 \section{Migration in systems of combined defects}
 
@@ -1397,6 +1332,7 @@ At a displacement of 60 \% these bonds are broken.
 Due to this and due to the formation of new bonds, that is the bond of silicon atom number 1 to silicon atom number 5 and the bond of the carbon atom to its siliocn neighbour in the bottom left, a less steep increase of free energy is observed.
 At a displacement of approximately 30 \% the bond of silicon atom number 1 to the just recently created siliocn atom is broken up again, which explains the repeated boost in energy.
 Finally the system gains energy relaxing into the configuration of zero displacement.
+{\color{red}Todo: Direct migration of C in progress.}
 
 Due to the low binding energy observed, the configuration of the vacancy created at position 3 is assumed to be stable against transition.
 However, a relatively simple migration path exists, which intuitively seems to be a low energy process.