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index d797f8c..06aeae1 100644 (file)
@@ -23,6 +23,7 @@ Due to promising advantages over the Tersoff potential the bond order potential
 A time step of one fs is set.
 
 \subsection{Simulations at temperatures used in ion beam synthesis}
+\label{subsection:initial_sims}
 
 In initial simulations aiming to reproduce a precipitation process simulation volumes of $31\times 31\times 31$ unit cells are utilized.
 Periodic boundary conditions in each direction are applied.
@@ -245,20 +246,136 @@ Another one is to use variable cut-off values scaled by the system volume, which
 
 To conclude the obstacle needed to get passed is twofold.
 The sharp cut-off of the used bond order model potential introduces overestimated high forces between next neighboured atoms enhancing the problem of slow phase space propagation immanent to MD simulations.
+Thus, pushing the time scale to the limits of computational ressources or applying one of the above mentioned accelerated dynamics methods exclusively will not be sufficient enough.
+
+Instead the first approach followed in this study, is the use of higher temperatures as exploited in TAD to find transition pathways of one local energy minimum to another one more quickly.
+Since merely increasing the temperature leads to different equilibrium kinetics than valid at low temperatures, TAD introduces basin-constrained MD allowing only those transitions that should occur at the original temperature and a properly advancing system clock \cite{sorensen2000}.
+The TAD corrections are not applied in coming up simulations.
+This is justified by two reasons.
+First of all a compensation of the overestimated bond strengthes due to the short range potential is expected.
+Secondly there is no conflict applying higher temperatures without the TAD corrections, since crystalline 3C-SiC is also observed for higher temperatures than $450\,^{\circ}\mathrm{C}$ in IBS \cite{lindner01}.
+It is therefore expected that the kinetics affecting the 3C-SiC precipitation are not much different at higher temperatures aside from the fact that it is occuring much more faster.
+Moreover, the interest of this study is focused on structural evolution of a system far from equilibrium instead of equilibrium properties which rely upon proper phase space sampling.
+On the other hand, during implantation, the actual temperature inside the implantation volume is definetly higher than the experimentally determined temperature tapped from the surface of the sample.
 
-{\color{blue}
-Thus, applying longer time scales in order to enable the system to undergo diffusion events, which become very unlikely to happen due to the overestimated bond strengthes, and in the end observe the agglomeration and precipitation might not be sufficient.
-On the other hand longer time scales are not accessible to simulation due to limited computational ressources.
-Alternatively the approach of using higher temperatures to speed up or actually make possible the steps involved in the precipitation mechanism is applied.
+\subsection{Increased temperature simulations}
 
-TAD, correcting time and undo changes for real temperature.
-Since the shot cut-off in the used potential introduces unphysical high forces use of higher temperatures in order to get the system to escape local minima and transform into the crystalline phase is the first approach followed.
-Anyways there is now conflict to experiments applying higher temepratures without the TAD corrections, since crystalline 3C-SiC is also expected for higher temperatures on the one hand and on the other hand the exact temperature inside the implantation volume is definetly higher than the temperature meassured at the surface of the sample.
-}
+Due to the limitations of short range potentials and conventional MD as discussed above elevated temperatures are used in the following.
+The simulation sequence and other parameters aside system temperature remain unchanged as in section \ref{subsection:initial_sims}.
+Since there is no significant difference among the $V_2$ and $V_3$ simulations only the $V_1$ and $V_2$ simulations are carried on and refered to as low carbon and high carbon concentration simulations.
+Temperatures ranging from $450\,^{\circ}\mathrm{C}$ up to $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ are used.
+
+A simple quality value $Q$ is introduced, which helps to estimate the progress of structural evolution.
+In bulk 3C-SiC every C atom has four next neighboured Si atoms and every Si atom four next neighboured C atoms.
+The quality could be determined by counting the amount of atoms which form bonds to four atoms of the other species.
+However, the aim of the simulation on hand is to reproduce the formation of a 3C-SiC precipitate embedded in c-Si.
+The amount of Si atoms and, thus, the amount of Si atoms remaining in the silicon diamond lattice is much higher than the amount of inserted C atoms.
+Thus, counting the atoms, which exhibit proper coordination is limited to the C atoms.
+The quality value is defined to be
+\begin{equation}
+Q = \frac{\text{Amount of C atoms with 4 next neighboured Si atoms}}
+         {\text{Total amount of C atoms}} \text{ .}
+\label{eq:md:qdef}
+\end{equation}
+By this, bulk 3C-SiC will still result in $Q=1$ and precipitates will also reach values close to one.
+However, since the quality value does not account for bond lengthes, bond angles, crystallinity or the stacking sequence high values of $Q$ not necessarily correspond to structures close to 3C-SiC.
+Structures that look promising due to high quality values need to be further investigated by other means.
 
-\subsection{Increased temperature simulations}
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{tot_pc_thesis.ps}\\
+\includegraphics[width=12cm]{tot_ba.ps}
+\end{center}
+\caption[Si-C radial distribution and quality evolution for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C radial distribution and quality evolution for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. The grey line shows resulting Si-C bonds in a configuration of substitutional C in c-Si (C$_\text{sub}$) at zero temperature. Arrows in the quality plot mark the end of carbon insertion and the start of the cooling down step. A fit function according to equation \eqref{eq:md:fit} shows the estimated evolution of quality in the absence of the cooling down sequence.}
+\label{fig:md:tot_si-c_q}
+\end{figure}
+Figure \ref{fig:md:tot_si-c_q} shows the radial distribution of Si-C bonds for different temperatures and the corresponding quality evolution as defined earlier for the low concentration simulaton, that is the $V_1$ simulation.
+The first noticeable and promising change in the Si-C radial distribution is the successive decline of the artificial peak at the Si-C cut-off distance with increasing temperature up to the point of disappearance at temperatures above $1650\,^{\circ}\mathrm{C}$.
+The system provides enough kinetic energy to affected atoms, which are able to escape the cut-off region.
+Another important observation in structural change is exemplified in the two shaded areas.
+In the grey shaded region a decrease of the peak at 0.186 nm and the bump at 0.175 nm and a concurrent increase of the peak at 0.197 nm with increasing temperature is visible.
+Similarly the peaks at 0.335 nm and 0.386 nm shrink in contrast to a new peak forming at 0.372 nm as can be seen in the yellow shaded region.
+Obviously the structure obtained from the $450\,^{\circ}\mathrm{C}$ simulations, which is dominated by the existence of \hkl<1 0 0> C-Si dumbbells transforms into a different structure with increasing simulation temperature.
+Investigations of the atomic data reveal substitutional carbon to be responsible for the new Si-C bonds.
+The peak at 0.197 nm corresponds to the distance of a substitutional carbon to the next neighboured silicon atoms.
+The one at 0.372 is the distance of the substitutional carbon atom to the second next silicon neighbour along the \hkl<1 1 0> direction.
+Comparing the radial distribution for the Si-C bonds at $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ to the resulting Si-C bonds in a configuration of a substitutional carbon atom in crystalline silicon excludes all possibility of doubt.
+The resulting bonds perfectly match and, thus, explain the peaks observed for the increased temperature simulations.
+To conclude, by increasing the simulation temperature, the \hkl<1 0 0> C-Si dumbbell characterized structure transforms into a structure dominated by substitutional C.
+
+This is also reflected in the quality values obtained for different temperatures.
+While simulations at $450\,^{\circ}\mathrm{C}$ exhibit 10 \% of fourfold coordinated carbon simulations at $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ exceed the 80 \% range.
+Since substitutional carbon has four next neighboured silicon atoms and is the preferential type of defect in elevated temperature simulations the increase of the quality values become evident.
+The quality values at a fixed temperature increase with simulation time.
+After the end of the insertion sequence marked by the first arrow the quality is increasing and a saturation behaviour, yet before the cooling process starts, can be expected.
+The evolution of the quality value of the simulation at $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ inside the range in which the simulation is continued at constant temperature for 100 fs is well approximated by the simple fit function
+\begin{equation}
+f(t)=a-\frac{b}{t} \text{ ,}
+\label{eq:md:fit}
+\end{equation}
+which results in a saturation value of 93 \%.
+Obviously the decrease in temperature accelerates the saturation and inhibits further formation of substitutional carbon.
+Conclusions drawn from investigations of the quality evolution correlate well with the findings of the radial distribution results.
 
-{\color{red}Todo: We go for higher temepratures first due to the potential cut-off artifact discussed above.}
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{tot_pc2_thesis.ps}\\
+\includegraphics[width=12cm]{tot_pc3_thesis.ps}
+\end{center}
+\caption[C-C and Si-Si radial distribution for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{C-C and Si-Si radial distribution for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. Arrows with dashed lines mark C-C distances of \hkl<1 0 0> dumbbell combinations and those with solid lines mark C-C distances of combinations of substitutional C. The dashed line corresponds to the distance of a substitutional C with a next neighboured \hkl<1 0 0> dumbbell.}
+\label{fig:md:tot_c-c_si-si}
+\end{figure}
+The formation of substitutional carbon also affects the Si-Si radial distribution displayed in the lower part of figure \ref{fig:md:tot_c-c_si-si}.
+Investigating the atomic strcuture indeed shows that the peak arising at 0.325 nm with increasing temperature is due to two Si atoms directly bound to a C substitutional.
+It corresponds to the distance of second next neighboured Si atoms along a \hkl<1 1 0>-equivalent direction with substitutional C inbetween.
+Since the expected distance of these Si pairs in 3C-SiC is 0.308 nm the existing SiC structures embedded in the c-Si host are stretched.
+
+In the upper part of figure \ref{fig:md:tot_c-c_si-si} the C-C radial distribution is shown.
+With increasing temperature a decrease of the amount of next neighboured C pairs can be observed.
+This is a promising result gained by the high temperature simulations since the breaking of these diomand and graphite like bonds is mandatory for the formation of 3C-SiC.
+A slight shift towards higher distances can be observed for the maximum above 0.3 nm.
+Arrows with dashed lines mark C-C distances resulting from \hkl<1 0 0> dumbbell combinations while the arrows with the solid line mark distances arising from combinations of substitutional C.
+The continuous dashed line corresponds to the distance of a substitutional C with a next neighboured \hkl<1 0 0> dumbbell.
+By comparison with the radial distribution it becomes evident that the shift accompanies the advancing transformation of \hkl<1 0 0> dumbbells into substitutional C.
+Next to combinations of two substitutional C atoms and two \hkl<1 0 0> dumbbells respectively also combinations of \hkl<1 0 0> dumbbells with a substitutional C atom arise.
+In addition, structures form that result in distances residing inbetween the ones obtained from combinations of mixed defect types and the ones obtained by substitutional C configurations, as can be seen by quite high g(r) values to the right of the continuous dashed line and to the left of the first arrow with a solid line.
+For the most part these structures can be identified as configurations of one substitutional C atom with either another C atom that practically occupies a Si lattice site but with a Si interstitial residing in the very next surrounding or a C atom that nearly occupies a Si lattice site forming a defect other than the \hkl<1 0 0>-type with the Si atom.
+Again, this is a quite promising result, since the C atoms are taking the appropriate coordination as expected in 3C-SiC.
+However, this is contrary to the initial precipitation model proposed in section \ref{section:assumed_prec}, which assumes that the transformation into 3C-SiC takes place in a very last step once enough C-Si dumbbells agglomerated.
+
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{12_pc_thesis.ps}\\
+\includegraphics[width=12cm]{12_pc_c_thesis.ps}
+\end{center}
+\caption[Si-C and C-C radial distribution for the high concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C (top) and C-C (bottom) radial distribution for the high concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.}
+\label{fig:md:12_pc}
+\end{figure}
+Figure \ref{fig:md:12_pc} displays the radial distribution for Si-C and C-C pairs obtained from high C concentration simulations at different elevated temperatures.
+Again, in both cases, the cut-off artifact decreases with increasing temperature.
+Peaks that already exist for the low temperature simulations get slightly more distinct for elevated temperatures.
+This is also true for peaks located past distances of next neighbours indicating an increase for the long range order.
+However this change is rather small and no significant structural change is observeable.
+Due to the continuity of high amounts of damage investigations of atomic configurations below remain hard to identify even for the highest temperature.
+Other than in the low concentration simulations analyzed defect structures are no longer necessarily aligned to the primarily existing but succesively disappearing c-Si host matrix inhibiting or at least hampering their identification and classification.
+As for low temperatures order in the short range exists decreasing with increasing distance.
+The increase of the amount of Si-C pairs at 0.186 nm could pe positively interpreted since this type of bond also exists in 3C-SiC.
+On the other hand the amount of next neighboured C atoms with a distance of approximately 0.15 nm, which is the distance of C in graphite or diamond, is likewise increased.
+Thus, higher temperatures seem to additionally enhance a conflictive process, that is the formation of C agglomerates, instead of the desired process of 3C-SiC formation.
+This is supported by the C-C peak at 0.252 nm, which corresponds to the second next neighbour distance in the diamond structure of elemental C.
+Investigating the atomic data indeed reveals two C atoms which are bound to and interconnect by a third C atom to be responsible for this distance.
+The C-C peak at about 0.31 nm, wich is slightly shifted to higher distances (0.317 nm) with increasing temperature still corresponds quite well to the next neighbour distance of C in 3C-SiC as well as a-SiC and indeed results from C-Si-C bonds.
+The Si-C peak at 0.282 nm, which is pronounced with increasing temperature is constructed out of a Si atom and a C atom, which are both bound to another central C atom.
+This is similar for the Si-C peak at approximately 0.35 nm.
+In this case, the Si and the C atom are bound to a central Si atom.
+
+Regarding these findings there is clear evidence ...
+
+This said, there is clear evidence that this is amorphous SiC
+However there is no significant change in structure.
+But there is a decrease in the artifacts of the potential.
+So, first limitations might be condiered as
+Now, more temperature to increase infrequent events ...
 
 \subsection{Constructed 3C-SiC precipitate in crystalline silicon}