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index f8c6a49..6e97864 100644 (file)
@@ -2,8 +2,8 @@
 \label{chapter:md}
 
 The molecular dynamics (MD) technique is used to gain insight into the behavior of C existing in different concentrations in c-Si on the microscopic level at finite temperatures.
-The simulations are restricted to classical potential simulations utilizing the analytical EA bond order potential as described in section \ref{subsection:interact_pot}.
-Parameters are chosen according to the discussion in section \ref{section:classpotmd}.
+The simulations are restricted to classical potential simulations utilizing the analytical EA bond order potential as described in section~\ref{subsection:interact_pot}.
+Parameters are chosen according to the discussion in section~\ref{section:classpotmd}.
 
 At the beginning, simulations are performed, which try to mimic the conditions during IBS.
 Results reveal limitations of the employed potential and MD in general.
@@ -27,12 +27,12 @@ with $a_{\text{SiC}}$ being the lattice constant of 3C-SiC.
 In IBS experiments, the smallest precipitates observed have radii starting from \unit[2]{nm} up to \unit[4]{nm}.
 For the initial simulations, a total amount of 6000 C atoms corresponding to a radius of approximately \unit[3.1]{nm} is chosen.
 In separated simulations, the 6000 C atoms are inserted in three regions of different volume ($V_1$, $V_2$, $V_3$) within the simulation cell.
-For reasons of simplification these regions are rectangularly shaped.
+For reasons of simplification, these regions are rectangularly shaped.
 $V_1$ 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 amount of Si atoms necessary to form such a precipitate, which is slightly smaller than $V_2$ due to the slightly lower Si density of 3C-SiC compared to c-Si.
-The two latter insertion volumes are considered since no diffusion of C atoms is expected within the simulated period of time at prevalent temperatures.
-This is due to the overestimated activation energy for the diffusion of a \ci \hkl<1 0 0> DB, as pointed out in section \ref{subsection:defects:mig_classical}.
+The two latter insertion volumes are considered since no long-range diffusion of C atoms is expected within the simulated period of time at prevalent temperatures.
+This is due to the overestimated activation energy for the diffusion of a \ci \hkl<1 0 0> DB, as pointed out in section~\ref{subsection:defects:mig_classical}.
 For rectangularly shaped precipitates with side length $L$ the amount of C atoms in 3C-SiC and Si atoms in c-Si is given by
 \begin{equation}
  N_{\text{C}}^{\text{3C-SiC}} =4 \left( \frac{L}{a_{\text{SiC}}}\right)^3
@@ -40,7 +40,7 @@ For rectangularly shaped precipitates with side length $L$ the amount of C atoms
  N_{\text{Si}}^{\text{c-Si}} =8 \left( \frac{L}{a_{\text{Si}}}\right)^3 \text{ .}
 \label{eq:md:n_prec}
 \end{equation}
-Table \ref{table:md:ins_vols} summarizes the side length of each of the three different insertion volumes determined by equations \eqref{eq:md:n_prec} and the resulting C concentrations inside these volumes.
+Table~\ref{table:md:ins_vols} summarizes the side length of each of the three different insertion volumes determined by equations \eqref{eq:md:n_prec} and the resulting C concentrations inside these volumes.
 Looking at the C concentrations, simulations can be distinguished in simulations occupying low ($V_1$) and high ($V_2$, $V_3$) concentrations of C.
 \begin{table}[tp]
 \begin{center}
@@ -144,20 +144,20 @@ Fig.~\ref{fig:md:prec_fc} displays a flow chart of the applied steps involved in
 \end{figure}
 
 The radial distribution function $g(r)$ for C-C and Si-Si distances is shown in Fig.~\ref{fig:md:pc_si-si_c-c}.
-\begin{figure}[tp]
-\begin{center}
- \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sic_prec_450_si-si_c-c.ps}
-\end{center}
-\caption[Radial distribution function of the C-C and Si-Si distances for 6000 C atoms inserted into the three different volumes $V_1$, $V_2$ and $V_3$ at a temperature of {\unit[450]{$^{\circ}$C}} and cooled down to room temperature.]{Radial distribution function of the C-C and Si-Si distances for 6000 C atoms inserted into the three different volumes $V_1$, $V_2$ and $V_3$ at a temperature of \unit[450]{$^{\circ}$C} and cooled down to room temperature. The bright blue graph shows the Si-Si radial distribution for pure c-Si. The insets show magnified regions of the respective type of bond.}
-\label{fig:md:pc_si-si_c-c}
-\end{figure}
-\begin{figure}[tp]
-\begin{center}
- \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sic_prec_450_energy.ps}
-\end{center}
-\caption[Total energy per atom as a function of time for the whole simulation sequence and for all three types of insertion volumes.]{Total energy per atom as a function of time for the whole simulation sequence and for all three types of insertion volumes. Arrows mark the end of C insertion and the start of the cooling process respectively.}
-\label{fig:md:energy_450}
-\end{figure}
+\begin{figure}[tp]%
+\begin{center}%
+ \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sic_prec_450_si-si_c-c.ps}%
+\end{center}%
+\caption[Radial distribution function of the C-C and Si-Si distances for 6000 C atoms inserted into the three different volumes $V_1$, $V_2$ and $V_3$ at a temperature of {\unit[450]{$^{\circ}$C}} and cooled down to room temperature.]{Radial distribution function of the C-C and Si-Si distances for 6000 C atoms inserted into the three different volumes $V_1$, $V_2$ and $V_3$ at a temperature of \unit[450]{$^{\circ}$C} and cooled down to room temperature. The bright blue graph shows the Si-Si radial distribution for pure c-Si. The insets show magnified regions of the respective type of bond.}%
+\label{fig:md:pc_si-si_c-c}%
+\end{figure}%
+\begin{figure}[tp]%
+\begin{center}%
+ \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sic_prec_450_energy.ps}%
+\end{center}%
+\caption[Total energy per atom as a function of time for the whole simulation sequence and for all three types of insertion volumes.]{Total energy per atom as a function of time for the whole simulation sequence and for all three types of insertion volumes. Arrows mark the end of C insertion and the start of the cooling process respectively.}%
+\label{fig:md:energy_450}%
+\end{figure}%
 It is easily and instantly visible that there is no significant difference among the two simulations of high C concentration.
 Thus, in the following, the focus can indeed be directed to low ($V_1$) and high ($V_2$, $V_3$) C concentration simulations.
 The first C-C peak appears at about \unit[0.15]{nm}, which is comparable to the nearest neighbor distance of graphite or diamond.
@@ -180,7 +180,7 @@ In 3C-SiC, the same distance is also expected for nearest neighbor Si atoms.
 The bottom of Fig.~\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.
 Indeed, non-zero $g(r)$ values around \unit[0.31]{nm} are observed while the amount of Si pairs at regular c-Si distances of \unit[0.24]{nm} and \unit[0.38]{nm} decreases.
 However, no clear peak is observed but the interval of enhanced $g(r)$ values corresponds to the width of the C-C $g(r)$ peak.
-In addition the abrupt increase of Si pairs at \unit[0.29]{nm} can be attributed to the Si-Si cut-off radius of \unit[0.296]{nm} as used in the present bond order potential.
+In addition, the abrupt increase of Si pairs at \unit[0.29]{nm} can be attributed to the Si-Si cut-off radius of \unit[0.296]{nm} as used in the present bond order potential.
 The cut-off function causes artificial forces pushing the Si atoms out of the cut-off region.
 Without the abrupt increase, a maximum around \unit[0.31]{nm} gets even more conceivable.
 Analyses of randomly chosen configurations, in which distances around \unit[0.3]{nm} appear, identify \ci{} \hkl<1 0 0> DBs to be responsible for stretching the Si-Si next neighbor distance for low C concentrations, i.e.\ for the $V_1$ and early stages of $V_2$ and $V_3$ simulation runs.
@@ -197,7 +197,7 @@ Fig.~\ref{fig:md:pc_si-c} displays the Si-C radial distribution function for all
 The first peak observed for all insertion volumes is at approximately \unit[0.186]{nm}.
 This corresponds quite well to the expected next neighbor distance of \unit[0.189]{nm} for Si and C atoms in 3C-SiC.
 By comparing the resulting Si-C bonds of a \ci{} \hkl<1 0 0> DB with the C-Si distances of the low concentration simulation, it is evident that the resulting structure of the $V_1$ simulation is clearly dominated by this type of defect.
-This is not surprising, since the \ci{} \hkl<1 0 0> DB is found to be the ground-state defect of a C interstitial in c-Si and, for the low concentration simulations, a C interstitial is expected in every fifth Si unit cell only, thus, excluding defect superposition phenomena.
+This is not surprising since the \ci{} \hkl<1 0 0> DB is found to be the ground-state defect of a C interstitial in c-Si and, for the low concentration simulations, a C interstitial is expected in every fifth Si unit cell only, thus, excluding defect superposition phenomena.
 The peak distance at \unit[0.186]{nm} and the bump at \unit[0.175]{nm} corresponds to the distance $r(3C)$ and $r(1C)$ as listed in Table~\ref{tab:defects:100db_cmp} and visualized in Fig.~\ref{fig:defects:100db_cmp}.
 In addition, it can be easily identified that the \ci{} \hkl<1 0 0> DB configuration contributes to the peaks at about \unit[0.335]{nm}, \unit[0.386]{nm}, \unit[0.434]{nm}, \unit[0.469]{nm} and \unit[0.546]{nm} observed in the $V_1$ simulation.
 Not only the peak locations but also the peak widths and heights become comprehensible.
@@ -207,7 +207,7 @@ For high C concentrations, i.e.\ the $V_2$ and $V_3$ simulation corresponding to
 The consequential superposition of these defects and the high amounts of damage generate new displacement arrangements for the C-C as well as for the Si-C pair distances, which become hard to categorize and trace and obviously lead to a broader distribution.
 Short range order indeed is observed, i.e.\ the large amount of strong neighbored C-C bonds at \unit[0.15]{nm} as expected in graphite or diamond and Si-C bonds at \unit[0.19]{nm} as expected in SiC, but only hardly visible is the long range order.
 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}.
+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}.
 
 In both cases, i.e.\ low and high C concentrations, the formation of 3C-SiC fails to appear.
 With respect to the precipitation model, the formation of C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DBs indeed occurs for low C concentrations.
@@ -220,7 +220,7 @@ For high C concentrations, a rearrangement of the amorphous SiC structure, which
 Results of the last section indicate possible limitations of the MD method regarding the task addressed in this study.
 Low C concentration simulations do not reproduce the agglomeration of C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DBs.
 High concentration simulations result in the formation of an amorphous SiC-like phase, which is unexpected since IBS experiments show crystalline 3C-SiC precipitates at prevailing temperatures.
-Keeping in mind the results 
+%Keeping in mind the results 
 On closer inspection, however, two reasons for describing this obstacle become evident, which are discussed in the following.
 
 The first reason is a general problem of MD simulations in conjunction with limitations in computer power, which results in a slow and restricted propagation in phase space.
@@ -236,7 +236,7 @@ The most famous approaches are hyperdynamics (HMD)~\cite{voter97,voter97_2}, par
 
 In addition to the time scale limitation, problems attributed to the short range potential exist.
 The sharp cut-off function, which limits the interacting ions to the next neighbored atoms by gradually pushing the interaction force and energy to zero between the first and second next neighbor distance, is responsible for overestimated and unphysical high forces of next neighbored 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}.
+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 C diffusion and further rearrangements.
 This is also true for the low concentration simulations dominated by the occurrence of C-Si DBs spread over the whole simulation volume.
 The bonds of these C-Si pairs are also affected by the cut-off artifact preventing C diffusion and agglomeration of the DBs.
@@ -247,7 +247,7 @@ However, since valuable insights into various physical properties can be gained
 One possibility is to simply skip the force contributions containing the derivatives of the cut-off function, which was successfully applied to reproduce the brittle propagation of fracture in SiC at zero temperature~\cite{mattoni2007}.
 Another one is to use variable cut-off values scaled by the system volume, which properly describes thermomechanical properties of 3C-SiC~\cite{tang95} but might be rather ineffective for the challenge inherent to this study.
 
-To conclude the obstacle needed to get passed is twofold.
+To conclude, the obstacle needed to get passed is twofold.
 The sharp cut-off of the employed bond order model potential introduces overestimated high forces between next neighbored atoms enhancing the problem of slow phase space propagation immanent to MD simulations.
 This obstacle could be referred to as {\em potential enhanced slow phase space propagation}.
 Due to this, pushing the time scale to the limits of computational resources or applying one of the above mentioned accelerated dynamics methods exclusively will not be sufficient enough.
@@ -257,7 +257,7 @@ Since merely increasing the temperature leads to different equilibrium kinetics
 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 strengths 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 \unit[450]{$^{\circ}$C} in IBS~\cite{nejim95,lindner01}.
+Secondly, there is no conflict applying higher temperatures without the TAD corrections since crystalline 3C-SiC is also observed for higher temperatures than \unit[450]{$^{\circ}$C} in IBS~\cite{nejim95,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 occurring 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 definitely higher than the experimentally determined temperature tapped from the surface of the sample.
@@ -270,8 +270,8 @@ Increased temperatures are expected to compensate the overestimated diffusion ba
 These are overestimated by a factor of 2.4 to 3.5.
 Scaling the absolute temperatures accordingly results in maximum temperatures of \unit[1460--2260]{$^{\circ}$C}.
 Since melting already occurs shortly below the melting point of the potential (\unit[2450]{K})~\cite{albe_sic_pot} due to the presence of defects, temperatures ranging from \unit[450--2050]{$^{\circ}$C} are used.
-The simulation sequence and other parameters except for the system temperature remain unchanged as in section \ref{section: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 referred to as low C and high C concentration simulations.
+The simulation sequence and other parameters except for the system temperature remain unchanged as in section~\ref{section: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 referred to as low C and high C concentration simulations.
 
 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 neighbored Si atoms and every Si atom four next neighbored C atoms.
@@ -296,7 +296,7 @@ Structures that look promising due to high quality values need to be further inv
 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{tot_pc_thesis.ps}\\
 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{tot_ba.ps}
 \end{center}
-\caption[Si-C radial distribution and evolution of quality $Q$ for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C radial distribution and evolution of quality $Q$ according to equation \ref{eq:md:qdef} for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to \degc{20}. The gray line shows resulting Si-C bonds in a configuration of \cs{} in c-Si (C$_\text{sub}$) at zero temperature. Arrows in the quality plot mark the end of C 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.}
+\caption[Si-C radial distribution and evolution of quality $Q$ for the low concentration simulations at different elevated temperatures.]{Si-C radial distribution and evolution of quality $Q$ according to equation~\ref{eq:md:qdef} for the low concentration simulations at different elevated temperatures. All structures are cooled down to \degc{20}. The gray line shows resulting Si-C bonds in a configuration of \cs{} in c-Si (C$_\text{sub}$) at zero temperature. Arrows in the quality plot mark the end of C 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}
 Fig.~\ref{fig:md:tot_si-c_q} shows the radial distribution of Si-C bonds for different temperatures and the corresponding evolution of quality $Q$ as defined above for the low concentration simulation.
@@ -357,15 +357,15 @@ Next to combinations of two \cs{} atoms or \ci{} \hkl<1 0 0> DBs, combinations o
 In addition, structures form that result in distances residing in between the ones obtained from combinations of mixed defect types and the ones obtained by \cs{} configurations, as can be seen by quite high $g(r)$ values in between the continuous dashed line and the first arrow with a solid line.
 For the most part, these structures can be identified as configurations of \cs{} with either another C atom that basically occupies a Si lattice site but is displaced by a \si{} atom 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 DBs agglomerated.
+%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 DBs agglomerated.
 
 To summarize, results of low concentration simulations show a phase transition in conjunction with an increase in temperature.
 The \ci{} \hkl<1 0 0> DB dominated structure turns into a structure characterized by the occurrence of an increasing amount of \cs{} with respect to temperature.
 Clearly, the high-temperature results indicate the precipitation mechanism involving an increased participation of \cs.
 Although diamond and graphite like bonds are reduced, no agglomeration of C is observed within the simulated time.
 Isolated structures of stretched SiC, which are adjusted to the c-Si host with respect to the lattice constant and alignment, are formed.
-By agglomeration of \cs{} the interfacial energy could be overcome and a transition from a coherent and stretched SiC structure into an incoherent and partially strain-compensated SiC precipitate could occur.
-Indeed, \si in the near surrounding is observed, which may initially compensate tensile strain in the stretched SiC structure or rearrange the \cs{} sublattice and finally serve as supply for additional C to form further SiC or compensate strain at the interface of the incoherent SiC precipitate and the Si host.
+By agglomeration of \cs{}, the interfacial energy could be overcome and a transition from a coherent and stretched SiC structure into an incoherent and partially strain-compensated SiC precipitate could occur.
+Indeed, \si{} in the near surrounding is observed, which may initially compensate tensile strain in the stretched SiC structure or rearrange the \cs{} sublattice and finally serve as supply for additional C to form further SiC or compensate strain at the interface of the incoherent SiC precipitate and the Si host.
 
 \subsection{High C concentration simulations}
 
@@ -390,7 +390,7 @@ On the other hand, the amount of next neighbored C atoms with a distance of appr
 Thus, higher temperatures seem to additionally enhance a conflictive process, i.e.\ the formation of C agglomerates, obviously inconsistent with the desired process of 3C-SiC formation.
 This is supported by the C-C peak at \distn{0.252}, which corresponds to the second next neighbor distance in the diamond structure of elemental C.
 Investigating the atomic data indeed reveals two C atoms, which are bound to and interconnected by a third C atom, to be responsible for this distance.
-The C-C peak at about \distn{0.31}, which is slightly shifted to higher distances (\distn{0.317}) with increasing temperature still corresponds quite well to the next neighbor distance of C in 3C-SiC as well as a-SiC and indeed results from C-Si-C bonds.
+The C-C peak at about \distn{0.31}, which is slightly shifted to higher distances (\distn{0.317}) with increasing temperature still corresponds quite well to the next neighbor distance of C in 3C-SiC as well as a-SiC and, indeed, results from C-Si-C bonds.
 The Si-C peak at \distn{0.282}, 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 \distn{0.35}.
 In this case, the Si and the C atom are bound to a central Si atom.
@@ -425,17 +425,17 @@ Moreover, it can be considered a necessary condition to deviate the system out o
 
 \section{Long time scale simulations at maximum temperature}
 
-As discussed in section~\ref{section:md:limit} and~\ref{section: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.
+As discussed in section~\ref{section:md:limit} and~\ref{section: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.
 Furthermore, these results indicate that increased temperatures are necessary to drive the system out of equilibrium enabling conditions needed for the formation of a metastable cubic polytype of SiC.
 
-A maximum temperature to avoid melting is determined in section \ref{section:md:tval} to be 120 \% of the Si melting point but due to defects lowering the transition point a maximum temperature of 95 \% of the Si melting temperature is considered useful.
+A maximum temperature to avoid melting is determined in section~\ref{section:md:tval} to be 120 \% of the Si melting point but due to defects lowering the transition point a maximum temperature of 95 \% of the Si melting temperature is considered useful.
 This value is almost equal to the temperature of $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ already used in former simulations.
-Since the maximum temperature is reached the approach is reduced to the application of longer time scales.
+Since the maximum temperature is reached, the approach is reduced to the application of longer time scales.
 This is considered useful since the estimated evolution of quality in the absence of the cooling down sequence in figure~\ref{fig:md:tot_si-c_q} predicts an increase in quality and, thus, structural evolution is likely to occur if the simulation is proceeded at maximum temperature.
 
-Next to the employment of longer time scales and a maximum temperature a few more changes are applied.
-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 first MD simulations.
-To speed up the simulation the initial simulation volume is reduced to 21 Si unit cells in each direction and 5500 inserted C atoms in either the whole volume or in a sphere with a radius of 3 nm corresponding to the size of a precipitate consisting of 5500 C atoms.
+Next to the employment of longer time scales and a maximum temperature, a few more changes are applied.
+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 first MD simulations.
+To speed up the simulation, the initial simulation volume is reduced to 21 Si unit cells in each direction and 5500 inserted C atoms in either the whole volume or in a sphere with a radius of 3 nm corresponding to the size of a precipitate consisting of 5500 C atoms.
 The \unit[100]{ps} sequence after C insertion intended for structural evolution is exchanged by a \unit[10]{ns} sequence, which is hoped to result in the occurrence of infrequent processes and a subsequent phase transition.
 The return to lower temperatures is considered separately.