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index fab4656..c7ec4e9 100644 (file)
@@ -219,6 +219,7 @@ 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.
@@ -259,6 +260,7 @@ 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}.
@@ -383,6 +385,7 @@ Since substitutional C without the presence of a Si self-interstitial is energet
 {\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.}
 
 \subsection{Valuation of a practicable temperature limit}
+\label{subsection:md:tval}
 
 \begin{figure}[!ht]
 \begin{center}
@@ -404,7 +407,7 @@ Thus, in the following system temperatures of 100 \% and 120 \% of the silicon m
 
 \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.
+Before proceeding with simulations at temperatrures around 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.
@@ -531,22 +534,79 @@ The amount of C atoms together with the observed lattice constant of the precipi
 Thus, the interface tension, given by the energy of the interface devided by the surface area of the precipitate is $20.15\,\frac{\text{eV}}{\text{nm}^2}$ or $3.23\times 10^{-4}\,\frac{\text{J}}{\text{cm}^2}$.
 This is located inside the eperimentally estimated range of $2-8\times 10^{-4}\,\frac{\text{J}}{\text{cm}^2}$ \cite{taylor93}.
 
+Since the precipitate configuration is artificially constructed the resulting interface does not necessarily correspond to the energetically most favorable configuration or to the configuration that is expected for an actually grown precipitate.
+Thus annealing steps are appended to the gained structure in order to allow for a rearrangement of the atoms of the interface.
+The precipitate structure is rapidly heated up to $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ with a heating rate of approximately $75\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$.
+From that point on the heating rate is reduced to $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$ and heating is continued to 120 \% of the Si melting temperature, that is 2940 K.
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{fe_and_t_sic.ps}
+\end{center}
+\caption{Free energy and temperature evolution of a constructed 3C-SiC precipitate embedded in c-Si at temperatures above the Si melting point.}
+\label{fig:md:fe_and_t_sic}
+\end{figure}
+Figure \ref{fig:md:fe_and_t_sic} shows the free energy and temperature evolution.
+The sudden increase of the free energy indicates possible melting occuring around 2840 K.
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{pc_500-fin.ps}
+\end{center}
+\caption{Radial distribution of the constructed 3C-SiC precipitate embedded in c-Si at temperatures below and above the Si melting transition point.}
+\label{fig:md:pc_500-fin}
+\end{figure}
+Investigating the radial distribution function shown in figure \ref{fig:md:pc_500-fin}, which shows configurations below and above the temperature of the estimated transition, indeed supports the assumption of melting gained by the free energy plot.
+However the precipitate itself is not involved, as can be seen from the Si-C and C-C distribution, which essentially stays the same for both temperatures.
+Thus, it is only the c-Si surrounding undergoing a structural phase transition, which is very well reflected by the difference observed for the two Si-Si distributions.
+This is surprising since the melting transition of plain c-Si is expected at temperatures around 3125 K, as discussed in the last section.
+Obviously the precipitate lowers the transition point of the surrounding c-Si matrix.
+For the rearrangement simulations temperatures well below the transition point should be used since it is very unlikely to recrystallize the molten Si surrounding properly when cooling down.
+To play safe the precipitate configuration at 100 \% of the Si melting temperature is chosen and cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$ with a cooling rate of $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$.
+{\color{blue}Todo: Wait for results and then compare structure (PC) and interface energy, maybe a energetically more favorable configuration arises.}
+{\color{red}Todo: Mention the fact, that the precipitate is stable for eleveated temperatures, even for temperatures where the Si matrix is melting.}
+{\color{red}Todo: Si starts to melt at the interface, show pictures and explain, it is due to the defective interface region.}
+
+\subsection{Simulations at temperatures around the silicon melting point}
+
+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.
 
-Since interface region is constructed and not neccesarily corresponds to the energetically most favorable layout we will now try hard to improve this ...
-Let's see, whether annealing will lead to some energetically more favorable configurations.
-
-
-\subsection{Simulations at temperatures exceeding the silicon melting point}
+\begin{figure}[!ht]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=12cm]{fe_100.ps}
+\includegraphics[width=12cm]{q_100.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}
+\end{figure}
+\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.}
 
-LL Cool J is hot as hell!
+{\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.}
 
-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.
+{\color{red}Todo: In additions simulations at 95 \% of the Si melting temperature are started again for longer times.}
 
-\subsection{Todo}
+\subsection{Further accelerated dynamics approaches}
 
-{\color{red}TODO: self-guided MD!}
+{\color{red}Todo: self-guided MD!}
 
-{\color{red}TODO: other approaches!}
+{\color{red}Todo: other approaches?}
 
-{\color{red}TODO: ART MD?}
+{\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.
+}