made constructed prec an extra chapter
[lectures/latex.git] / posic / thesis / md.tex
index 0e695a6..56a2ac2 100644 (file)
@@ -1,4 +1,4 @@
-\chapter{Molecular dynamics simulations}
+\chapter{Silicon carbide precipitation simulations}
 
 The molecular dynamics (MD) technique is used to gain insight into the behavior of carbon existing in different concentrations in crystalline silicon on the microscopic level at finite temperatures.
 Both, quantum-mechanical and classical potential molecular dynamics simulations are performed.
@@ -44,7 +44,7 @@ $V_1$ is chosen to be the total simulation volume.
 $V_2$ approximately corresponds to the volume of a minimal 3C-SiC precipitate.
 $V_3$ is approximately the volume containing the necessary amount of silicon atoms to form such a precipitate, which is slightly smaller than $V_2$ due to the slightly lower silicon density of 3C-SiC compared to c-Si.
 The two latter insertion volumes are considered since no diffusion of carbon atoms is expected within the simulated period of time at prevalent temperatures.
-{\color{red}Todo: Refere to diffusion simulations and Mattoni paper.}
+This is due to the overestimated activation energies for carbon diffusion as pointed out in section \ref{subsection:defects:mig_classical}.
 For rectangularly shaped precipitates with side length $L$ the amount of carbon atoms in 3C-SiC and silicon atoms in c-Si is given by
 \begin{equation}
  N_{\text{Carbon}}^{\text{3C-SiC}} =4 \left( \frac{L}{a_{\text{SiC}}}\right)^3
@@ -184,6 +184,7 @@ This is in accordance with the constant total energy observed in the continuatio
 Obviously no energetically favorable relaxation is taking place at a system temperature of $450\,^{\circ}\mathrm{C}$.
 
 The C-C peak at about 0.31 nm perfectly matches the nearest neighbour distance of two carbon atoms in the 3C-SiC lattice.
+{\color{red}Todo: Mention somewhere(!) that the distance is due to neighboured differently oriented C-Si \hkl<1 0 0> dumbbells!}
 As can be seen from the inset this peak is also observed for the $V_1$ simulation.
 In 3C-SiC the same distance is also expected for nearest neighbour silicon atoms.
 The bottom of figure \ref{fig:md:pc_si-si_c-c} shows the radial distribution of Si-Si bonds together with a reference graph for pure c-Si.
@@ -219,6 +220,7 @@ This indicates the formation of an amorphous SiC-like phase.
 In fact the resulting Si-C and C-C radial distribution functions compare quite well with these obtained by cascade amorphized and melt-quenched amorphous SiC using a modified Tersoff potential \cite{gao02}.
 
 \subsection{Limitations of conventional MD and short range potentials}
+\label{subsection:md:limit}
 
 At first the formation of an amorphous SiC-like phase is unexpected since IBS experiments show crystalline 3C-SiC precipitates at prevailing temperatures.
 On closer inspection, however, reasons become clear, which are discussed in the following.
@@ -235,6 +237,7 @@ New methods have been developed to bypass the time scale problem like hyperdnyam
 
 In addition to the time scale limitation, problems attributed to the short range potential exist.
 The sharp cut-off funtion, which limits the interacting ions to the next neighboured atoms by gradually pushing the interaction force and energy to zero between the first and second next neighbour distance, is responsible for overestimated and unphysical high forces of next neighboured atoms \cite{tang95,mattoni2007}.
+This is supported by the overestimated activation energies necessary for C diffusion as investigated in section \ref{subsection:defects:mig_classical}.
 Indeed it is not only the strong C-C bond which is hard to break inhibiting carbon diffusion and further rearrengements.
 This is also true for the low concentration simulations dominated by the occurrence of C-Si dumbbells spread over the whole simulation volume.
 The bonds of these C-Si pairs are also affected by the cut-off artifact preventing carbon diffusion and agglomeration of the dumbbells.
@@ -259,6 +262,7 @@ Moreover, the interest of this study is focused on structural evolution of a sys
 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.
 
 \subsection{Increased temperature simulations}
+\label{subsection:md:inct}
 
 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}.
@@ -377,12 +381,12 @@ With the disappearance of the peaks at the respective cut-off radii one limitati
 In addition, sharper peaks in the radial distributions lead to the assumption of expeditious structural formation.
 The increase in temperature leads to the occupation of new defect states, which is particularly evident but not limited to the low carbon concentration simulations.
 The question remains whether these states are only occupied due to the additional supply of kinetic energy and, thus, have to be considered unnatural for temperatures applied in IBS or whether the increase in temperature indeed enables infrequent transitions to occur faster, thus, leading to the intended acceleration of the dynamics and weakening of the unphysical quirks inherent to the potential.
-{\color{red}Todo: Formation energy of C sub and nearby Si self-int, to see whether this is a preferable state!}
 In the first case these occupied states would be expected to be higher in energy than the states occupied at low temperatures.
 Since substitutional C without the presence of a Si self-interstitial is energetically more favorable than the lowest defect structure obtained without removing a Si atom, that is the \hkl<1 0 0> dumbbell interstitial, and the migration of Si self-interstitials towards the sample surface can be assumed for real life experiments \cite{}, this approach is accepted as an accelerated way of approximatively describing the structural evolution.
-{\color{red}Todo: If C sub and Si self-int is energetically more favorable, the migration towards the surface can be kicked out. Otherwise we should actually care about removal of Si! In any way these findings suggest a different prec model.}
+{\color{red}Todo: C sub and Si self-int is energetically less favorable! Maybe fast migration of Si (mentioned in another Todo)? If true, we have to care about Si removal in simulations? In any way these findings suggest a different prec model.}
 
 \subsection{Valuation of a practicable temperature limit}
+\label{subsection:md:tval}
 
 \begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
@@ -402,101 +406,48 @@ The late transition probably occurs due to the high heating rate and, thus, a la
 To avoid melting transitions in further simulations system temperatures well below the transition point are considered safe.
 Thus, in the following system temperatures of 100 \% and 120 \% of the silicon melting point are used.
 
-\subsection{Constructed 3C-SiC precipitate in crystalline silicon}
-
-Before proceeding with simulations at temperatrures exceeding the silicon melting point a spherical 3C-SiC precipitate enclosed in a c-Si surrounding is constructed as it is expected from IBS experiments and from simulations that finally succeed in simulating the precipitation event.
-On the one hand this sheds light on characteristic values like the radial distribution function or the total amount of free energy for such a configuration that is aimed to be reproduced by simulation.
-On the other hand, assuming a correct alignment of the precipitate with the c-Si matrix, properties of such precipitates and the surrounding as well as the interface can be investiagted.
-Furthermore these investigations might establish the prediction of conditions necessary for the simulation of the precipitation process.
-
-To construct a spherical and topotactically aligned 3C-SiC precipitate in c-Si, the approach illustrated in the following is applied.
-A total simulation volume $V$ consisting of 21 unit cells of c-Si in each direction is created.
-To obtain a minimal and stable precipitate 5500 carbon atoms are considered necessary.
-This corresponds to a spherical 3C-SiC precipitate with a radius of approximately 3 nm.
-The initial precipitate configuration is constructed in two steps.
-In the first step the surrounding silicon matrix is created.
-This is realized by just skipping the generation of silicon atoms inside a sphere of radius $x$, which is the first unknown variable.
-The silicon lattice constant $a_{\text{Si}}$ of the surrounding c-Si matrix is assumed to not alter dramatically and, thus, is used for the initial lattice creation.
-In a second step 3C-SiC is created inside the empty sphere of radius $x$.
-The lattice constant $y$, the second unknown variable, is chosen in such a way, that the necessary amount of carbon is generated.
-This is entirely described by the system of equations \eqref{eq:md:constr_sic_01}
-\begin{equation}
-\frac{8}{a_{\text{Si}}^3}(
-\underbrace{21^3 a_{\text{Si}}^3}_{=V}
--\frac{4}{3}\pi x^3)+
-\underbrace{\frac{4}{y^3}\frac{4}{3}\pi x^3}_{\stackrel{!}{=}5500}
-=21^3\cdot 8
-\label{eq:md:constr_sic_01}
-\text{ ,}
-\end{equation}
-which can be simplified to read
-\begin{equation}
-\frac{8}{a_{\text{Si}}^3}\frac{4}{3}\pi x^3=5500
-\Rightarrow x = \left(\frac{5500 \cdot 3}{32 \pi} \right)^{1/3}a_{\text{Si}}
-\label{eq:md:constr_sic_02}
-\end{equation}
-and
-\begin{equation}
-%x^3=\frac{16\pi}{5500 \cdot 3}y^3=
-%\frac{16\pi}{5500 \cdot 3}\frac{5500 \cdot 3}{32 \pi}a_{\text{Si}}^3
-%\Rightarrow
-y=\left(\frac{1}{2} \right)^{1/3}a_{\text{Si}}
-\text{ .}
-\label{eq:md:constr_sic_03}
-\end{equation}
-By this means values of 2.973 nm and 4.309 \AA{} are obtained for the initial precipitate radius and lattice constant of 3C-SiC.
-Since the generation of atoms is a discrete process with regard to the size of the volume the expected amounts of atoms are not obtained.
-However, by applying these values the final configuration varies only slightly from the expected one by five carbon and eleven silicon atoms, as can be seen in table \ref{table:md:sic_prec}.
-\begin{table}[!ht]
-\begin{center}
-\begin{tabular}{l c c c c}
-\hline
-\hline
- & C in 3C-SiC & Si in 3C-SiC & Si in c-Si surrounding & total amount of Si\\
-\hline
-Obtained & 5495 & 5486 & 68591 & 74077\\
-Expected & 5500 & 5500 & 68588 & 74088\\
-Difference & -5 & -14 & 3 & -11\\
-\hline
-\hline
-\end{tabular}
-\caption{Comparison of the expected and obtained amounts of Si and C atoms by applying the values from equations \eqref{eq:md:constr_sic_02} and \eqref{eq:md:constr_sic_03} in the 3C-SiC precipitate construction approach.}
-\label{table:md:sic_prec}
-\end{center}
-\end{table}
+\subsection{Long time scale simulations at maximum temperature}
 
-After the initial configuration is constructed some of the atoms located at the 3C-SiC/c-Si interface show small distances, which results in high repulsive forces acting on the atoms.
-Thus, the system is equilibrated using strong coupling to the heat bath, which is set to be $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.
-Once the main part of the excess energy is carried out previous settings for the Berendsen thermostat are restored and the system is relaxed for another 10 ps.
+As discussed in section \ref{subsection:md:limit} and \ref{subsection:md:inct} a further increase of the system temperature might help to overcome limitations of the short range potential and accelerate the dynamics involved in structural evolution.
+A maximum temperature to avoid melting was determined in section \ref{subsection:md:tval}, which is 120 \% of the Si melting point.
+In the following simulations the system volume, the amount of C atoms inserted and the shape of the insertion volume are modified from the values used in the first MD simulations to now match the conditions given in the simulations of the self-constructed precipitate configuration for reasons of comparability.
+To quantify, the initial simulation volume now consists of 21 Si unit cells in each direction and 5500 C atoms are inserted in either the whole volume or in a sphere with a radius of 3 nm.
+Since the investigated temperatures exceed the Si melting point the initial Si bulk material is heated up slowly by $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$ starting from $1650\,^{\circ}\mathrm{C}$ before the C insertion sequence is started.
+The 100 ps sequence at the respective temperature intended for the structural evolution is exchanged by a 10 ns sequence, which will hopefully result in the occurence of infrequent processes.
+The return to lower temperatures is considered seperately.
 
 \begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=12cm]{pc_0.ps}
+\includegraphics[width=12cm]{fe_100.ps}
+\includegraphics[width=12cm]{q_100.ps}
 \end{center}
-\caption[Radial distribution of a 3C-SiC precipitate embeeded in c-Si at $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.]{Radial distribution of a 3C-SiC precipitate embeeded in c-Si at $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. The Si-Si radial distribution of plain c-Si is plotted for comparison. Grey arrows mark bumps in the Si-Si distribution of the precipitate configuration, which do not exist in plain c-Si.}
-\label{fig:md:pc_sic-prec}
+\caption[Evolution of the free energy and quality of a simulation at 100 \% of the Si melting temperature.]{Evolution of the free energy and quality of a simulation at 100 \% of the Si melting temperature. Matt colored parts of the graphs represent the C insertion sequence.}
+\label{fig:md:exceed100}
 \end{figure}
-Figure \ref{fig:md:pc_sic-prec} shows the radial distribution of the obtained configuration.
-Comparing the Si-Si radial distribution of plain c-Si with the one of the precipitate configuration no difference is observed for the distances of neighboured silicon pairs.
-Although no sifnificant change of the lattice constant of the c-Si matrix was assumed, surprisingly there is no change at all within observational accuracy.
-Nice, since obviously matrix is big enough to exclude size effects in the system in which pbc are applied, we can consider it single precipitate in a infinite Si matrix.
-A new peak for the silicon pairs arises at 0.307 nm.
-It is identical to the peak of the C-C distribution around that value.
-It corresponds to second next neighbours in 3C-SiC, which applies for Si as well as C pairs.
-The bumps of the Si-Si distribution at higher distances, which are marked by grey arrows and do not exist in plain c-Si, can be explained in the same manner.
-They correspond to the fourth and sixth next neighbour in 3C-SiC.
-Again, these peaks apply to Si and C pairs and indeed it is easily identifiale how the C-C peaks at contribute to the bumps observed in the Si-Si distribution.
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{fe_120.ps}
+\includegraphics[width=12cm]{q_120.ps}
+\end{center}
+\caption[Evolution of the free energy and quality of a simulation at 120 \% of the Si melting temperature.]{Evolution of the free energy and quality of a simulation at 120 \% of the Si melting temperature. Matt colored parts of the graphs represent the C insertion sequence.}
+\label{fig:md:exceed120}
+\end{figure}
+Figure \ref{fig:md:exceed100} and \ref{fig:md:exceed120} show the evolution of the free energy per atom and the quality at 100 \% and 120 \% of the Si melting temperature.
+{\color{red}Todo: Melting occurs, show and explain it and that it's due to the defects created.}
 
-4.34 \AA{} compared to 4.36 \AA{}.
+{\color{red}Todo: Due to melting, after insertion, simulation is continued NVE, so melting hopefully will not occur, before it will be cooled down later on.}
 
-New lattice constant
-Surface energy
+{\color{red}Todo: In additions simulations at 95 \% of the Si melting temperature are started again for longer times.}
 
-Now let's see, whether annealing will lead to some energetically more favorable configurations.
+\subsection{Further accelerated dynamics approaches}
 
+{\color{red}Todo: self-guided MD!}
 
-\subsection{Simulations at temperatures exceeding the silicon melting point}
+{\color{red}Todo: other approaches?}
 
-LL Cool J is hot as hell!
+{\color{red}
+Todo: ART MD?
+Also, how about forcing a migration of a $V_2$ configuration to a constructed prec configuration, detrmine the maximum saddle point and let the simulation run.
+}
 
-A different simulation volume and refined amount as well as shape of insertion volume for the C atoms, to stay compareable to the results gained in the latter section, is used throughout all following simulations.