alpha version of intro + sic review
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index fa2f8bc..acb6d2a 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
 \chapter{Silicon carbide precipitation simulations}
+\label{chapter:md}
 
 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.
@@ -15,11 +16,13 @@ Explain some more parameters that differ from the latter calculations ...
 
 Molecular dynamics simulations of a single, two and ten carbon atoms in $3\times 3\times 3$ unit cells of crytsalline silicon are performed.
 
+{\color{red}Todo: ... in progress ...}
+
 \section{Classical potential MD simulations}
 
 In contrast to the quantum-mechanical MD simulations the developed classical potential MD code is able to do constant pressure simulations using the Berendsen barostat.
 The system pressure is set to zero pressure.
-Due to promising advantages over the Tersoff potential the bond order potential of Erhard and Albe is used.
+Due to promising advantages over the Tersoff potential the bond order potential of Erhart and Albe is used.
 A time step of one fs is set.
 
 \subsection{Simulations at temperatures used in ion beam synthesis}
@@ -74,7 +77,7 @@ Carbon concentration [$\frac{1}{\text{c-Si unit cell}}$] & 0.20 & 7.68 & 8.16\\
 The insertion is realized in a way to keep the system temperature constant.
 In each of 600 insertion steps 10 carbon atoms are inserted at random positions within the respective region, which involves an increase in kinetic energy.
 Thus, the simulation is continued without adding more carbon atoms until the system temperature is equal to the chosen temperature again, which is realized by the thermostat decoupling excessive energy.
-Every inserted carbon atom must exhibit a distance greater or equal than 1.5 \AA{} to present neighboured atoms to prevent too high temperatures.
+Every inserted carbon atom must exhibit a distance greater or equal than 1.5 \AA{} to present neighboured atoms to prevent too high forces to occur.
 Once the total amount of carbon is inserted the simulation is continued for 100 ps followed by a cooling-down process until room temperature, that is  $20\, ^{\circ}\mathrm{C}$ is reached.
 Figure \ref{fig:md:prec_fc} displays a flow chart of the applied steps involved in the simulation sequence.
 \begin{figure}[!ht]
@@ -176,16 +179,15 @@ These carbon atoms are assumed to form strong bonds.
 This is supported by figure \ref{fig:md:energy_450} displaying the total energy of all three simulations during the whole simulation sequence.
 A huge decrease of the total energy during carbon insertion is observed for the simulations with high carbon concentration in contrast to the $V_1$ simulation, which shows a slight increase.
 The difference in energy $\Delta$ growing within the carbon insertion process up to a value of roughly 0.06 eV per atom persists unchanged until the end of the simulation.
-Here is the problem.
 The excess amount of next neighboured strongly bounded C-C bonds in the high concentration simulations make these configurations energetically more favorable compared to the low concentration configuration.
 However, in the same way a lot of energy is needed to break these bonds to get out of the local energy minimum advancing towards the global minimum configuration.
-Thus, such conformational chamges are very unlikely to happen.
+Thus, such conformational changes are very unlikely to happen.
 This is in accordance with the constant total energy observed in the continuation step of 100 ps inbetween the end of carbon insertion and the cooling process.
 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.
+Investigating the corresponding coordinates of the atoms it turns out that concatenated and differently oriented C-Si \hkl<1 0 0> dumbbell interstitials constitute configurations yielding separations of C atoms by this distance.
 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.
 Indeed non-zero $g(r)$ values around 0.31 nm are observed while the amount of Si pairs at regular c-Si distances of 0.24 nm and 0.38 nm decreases.
@@ -285,6 +287,8 @@ By this, bulk 3C-SiC will still result in $Q=1$ and precipitates will also reach
 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.
 
+\subsubsection{Low carbon concetration simulations}
+
 \begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
 \includegraphics[width=12cm]{tot_pc_thesis.ps}\\
@@ -301,8 +305,8 @@ In the grey shaded region a decrease of the peak at 0.186 nm and the bump at 0.1
 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.
+The peak at 0.197 nm corresponds to the distance of a substitutional carbon atom to the next neighboured silicon atoms.
+The one at 0.372 nm is the distance of a substitutional carbon atom to the second next silicon neighbour along a \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.
@@ -319,6 +323,7 @@ f(t)=a-\frac{b}{t} \text{ ,}
 \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.
+\label{subsubsection:md:ep}
 Conclusions drawn from investigations of the quality evolution correlate well with the findings of the radial distribution results.
 
 \begin{figure}[!ht]
@@ -335,7 +340,9 @@ It corresponds to the distance of second next neighboured Si atoms along a \hkl<
 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.
+The total amount of C-C bonds with a distance inside the displayed separation range does not change significantly.
+Thus, even for elevated temperatures agglomeration of C atoms neccessary to form a SiC precipitate does not take place within the simulated time scale.
+However, 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 solid lines mark distances arising from combinations of substitutional C.
@@ -347,7 +354,14 @@ For the most part these structures can be identified as configurations of one su
 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.
 
-{\color{red}Todo: Summarize again! Mention, that the agglomeration necessary in order to form 3C-SiC is missing.}
+To summarize, results of low concentration simulations show a phase transition in conjunction with an increase in temperature.
+The C-Si \hkl<1 0 0> dumbbell dominated struture turns into a structure characterized by the occurence of an increasing amount of substitutional C with respect to temperature.
+Although diamond and graphite like bonds are reduced no agglomeration of C is observed within the simulated time resulting in the formation of isolated structures of stretched SiC, which are adjusted to the c-Si host with respect to the lattice constant and alignement.
+It would be conceivable that by agglomeration of further substitutional C atoms the interfacial energy could be overcome and a transition into an incoherent SiC precipitate could occur.
+
+{\color{red}Todo: Results reinforce the assumption of an alternative precipitation model as already pointed out in the defects chapter.}
+
+\subsubsection{High carbon concetration simulations}
 
 \begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
@@ -376,27 +390,30 @@ 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.
 To summarize, the amorphous phase remains though sharper peaks in the radial distributions at distances expected for a-SiC are observed indicating a slight acceleration of the dynamics due to elevated temperatures.
 
+\subsubsection{Conclusions concerning the usage of increased temperatures}
+
 Regarding the outcome of both, high and low concentration simulations at increased temperatures, encouraging conclusions can be drawn.
 With the disappearance of the peaks at the respective cut-off radii one limitation of the short range potential seems to be accomplished.
 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.
+
+{\color{blue}
 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.
-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: 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.}
+As already pointed out in section~\ref{section:defects:noneq_process_01} on page~\pageref{section:defects:noneq_process_01} and section~\ref{section:defects:noneq_process_02} on page~\pageref{section:defects:noneq_process_02} IBS is a nonequilibrium process, which might result in the formation of the thermodynamically less stable substitutional carbon and Si self-interstitital configuration.
+Indeed 3C-SiC is metastable and if not fabricated by IBS requires strong deviation from equilibrium and/or low temperatures to stabilize the 3C polytype \cite{}.
+In IBS highly energetic C atoms are able to generate vacant sites, which in turn can be occupied by highly mobile C atoms.
+This is found to be favorable in the absence of the Si self-interstitial, which turned out to have a low interaction capture radius with a substitutional C atom very likely preventing the recombination into thermodynamically stable C-Si dumbbell interstitials for appropriate separations of the defect pair.
+Results gained in this chapter show preferential occupation of Si lattice sites by substitutional C enabled by increased temperatures supporting the assumptions drawn from the defect studies of the last chapter.
+
+Thus, employing increased temperatures is not exclusively usefull to accelerate the dynamics approximatively describing the structural evolution.
+Moreover it can be considered a necessary condition to deviate the system out of equilibrium enabling the formation of 3C-SiC obviously realized by a successive agglomeration of substitutional C.
+}
 
 \subsection{Valuation of a practicable temperature limit}
 \label{subsection:md:tval}
 
-\begin{figure}[!ht]
-\begin{center}
-\includegraphics[width=12cm]{fe_and_t.ps}
-\end{center}
-\caption{Free energy and temperature evolution of plain silicon at temperatures in the region around the melting transition.}
-\label{fig:md:fe_and_t}
-\end{figure}
 The assumed applicability of increased temperature simulations as discussed above and the remaining absence of either agglomeration of substitutional C in low concentration simulations or amorphous to crystalline transition in high concentration simulations suggests to further increase the system temperature.
-So far, the highest temperature applied corresponds to 95 \% of the absolute silicon melting temperature, which is 2450 K and specific to the Erhard/Albe potential.
+So far, the highest temperature applied corresponds to 95 \% of the absolute silicon melting temperature, which is 2450 K and specific to the Erhart/Albe potential.
 However, melting is not predicted to occur instantly after exceeding the melting point due to additionally required transition enthalpy and hysteresis behaviour.
 To check for the possibly highest temperature at which a transition fails to appear plain silicon is heated up using a heating rate of $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$.
 Figure \ref{fig:md:fe_and_t} shows the free energy and temperature evolution in the region around the transition temperature.
@@ -407,54 +424,80 @@ To avoid melting transitions in further simulations system temperatures well bel
 According to this study temperatures of 100 \% and 120 \% of the silicon melting point could be used.
 However, defects, which are introduced due to the insertion of C atoms are known to lower the transition point.
 Indeed simulations show melting transitions already at the melting point whenever C is inserted.
-Thus, a system temperature of 95 \% of the silicon melting point is used in the following.
+Thus, the system temperature of 95 \% of the silicon melting point is considered the maximum limit.
+\begin{figure}[!t]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{fe_and_t.ps}
+\end{center}
+\caption{Free energy and temperature evolution of plain silicon at temperatures in the region around the melting transition.}
+\label{fig:md:fe_and_t}
+\end{figure}
 
 \subsection{Long time scale simulations at maximum temperature}
 
-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.
+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.
+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{subsection: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 usefull.
 This value is almost equal to the temperature of $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ already used in former simulations.
-Thus, this approach reduces to the application of longer time scales.
-Super!
+Since the maximum temperature is reached the approach is reduced to the application of longer time scales.
+This is considered usefull 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 liekyl to occur if the simulation is proceeded at maximum temperature.
 
-Next to a longer time scale of simulating at 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 the first MD simulations.
+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 100 ps sequence after C insertion intended for structural evolution is exchanged by a 10 ns sequence, which is hoped to result in the occurence of infrequent processes.
+The 100 ps sequence after C insertion intended for structural evolution is exchanged by a 10 ns sequence, which is hoped to result in the occurence of infrequent processes and a subsequent phase transition.
 The return to lower temperatures is considered seperately.
 
-\begin{figure}[!ht]
+\begin{figure}[!t]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=12cm]{fe_100.ps}
-\includegraphics[width=12cm]{q_100.ps}
+\includegraphics[width=12cm]{c_in_si_95_v1_si-c.ps}\\
+\includegraphics[width=12cm]{c_in_si_95_v1_c-c.ps}
 \end{center}
-\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}
+\caption{Si-C (top) and C-C (bottom) radial distribution for low concentration simulations at 95 \% of the potential's Si melting point at different points in time of the simulation.}
+\label{fig:md:95_long_time_v1}
 \end{figure}
-\begin{figure}[!ht]
+\begin{figure}[!t]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=12cm]{fe_120.ps}
-\includegraphics[width=12cm]{q_120.ps}
+\includegraphics[width=12cm]{c_in_si_95_v2.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}
+\caption{Si-C and C-C radial distribution for high concentration simulations at 95 \% of the potential's Si melting point at different points in time of the simulation.}
+\label{fig:md:95_long_time_v2}
 \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.}
-
-{\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.}
 
-{\color{red}Todo: In additions simulations at 95 \% of the Si melting temperature are started again for longer times.}
+Figure \ref{fig:md:95_long_time_v1} shows the evolution in time of the radial distribution for Si-C and C-C pairs for a low C concentration simulation.
+Differences are observed for both types of atom pairs indeed indicating proceeding structural changes even well beyond 100 ps of simulation time.
+Peaks attributed to the existence of substitutional C increase and become more distinct.
+This finding complies with the predicted increase of quality evolution as explained earlier.
+More and more C forms tetrahedral bonds to four Si neighbours occupying vacant Si sites.
+However, no increase of the amount of total C-C pairs within the observed region can be identified.
+Carbon, whether substitutional or as a dumbbell does not agglomerate within the simulated period of time visible by the unchanging area beneath the graphs.
+
+Figure \ref{fig:md:95_long_time_v2} shows the evolution in time of the radial distribution for Si-C and C-C pairs for a high C concentration simulation.
+There are only small changes identifiable.
+A slight increase of the Si-C peak at approximately 0.36 nm attributed to the distance of substitutional C and the next but one Si atom along \hkl<1 1 0> is observed.
+In the same time the C-C peak at approximately 0.32 nm corresponding to the distance of two C atoms interconnected by a Si atom along \hkl<1 1 0> slightly decreases.
+Obviously the system preferes a slight increase of isolated substitutional C at the expense of incoherent C-Si-C precipitate configurations, which at a first glance actually appear as promising configurations in the precipitation event.
+On second thoughts however, this process of splitting a C atom out of this structure is considered necessary in order to allow for the rearrangement of C atoms on substitutional lattice sites on the one hand and for C diffusion otherwise, which is needed to end up in a structure, in which one of the two fcc sublattices is composed out of carbon only.
+
+For both, high and low concentration simulations the radial distribution converges as can be seen by the nearly identical graphs of the two most advanced configurations.
+Changes exist ... bridge to results after cooling down to 20 degree C.
+
+{\color{red}Todo: Cooling down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$ by $1\,^{\circ}\mathrm{C/s}$ in progress.}
+{\color{red}Todo: Remember NVE simulations (prevent melting).}
 
 \subsection{Further accelerated dynamics approaches}
 
-{\color{red}Todo: self-guided MD!}
+Since longer time scales are not sufficient \ldots
+
+{\color{red}Todo: self-guided MD?}
 
 {\color{red}Todo: other approaches?}
 
-{\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.
+{\color{red}Todo: ART MD?\\
+How about forcing a migration of a $V_2$ configuration to a constructed prec configuration, determine the saddle point configuration and continue the simulation from this configuration?
 }
 
+\section{Conclusions concerning the SiC conversion mechanism}
+