nlsop.c

   1 /*
   2  * nlsop.c
   3  *
   4  * this program tries helping to understand the amorphous depuration
   5  * and recrystallization of SiCx while ion implanation. hopefully the program
   6  * will simulate the stabilization of the selforganizing structure in the
   7  * observed behaviour.
   8  *
   9  * refs:
  10  *  - J. K. N. Lindner. Habilationsschrift, Universitaet Augsburg.
  11  *  - Maik Haeberlen. Diplomarbeit, Universitaet Augsburg.
  12  */
  13
  14 #define _GNU_SOURCE
  15 #include <stdio.h>
  16 #include <stdlib.h>
  17 #include <string.h>
  18 #include <sys/types.h>
  19 #include <sys/stat.h>
  20 #include <fcntl.h>
  21 #include <unistd.h>
  22
  23 #include "nlsop.h"
  24
  25 #include "dfbapi.h"
  26 #include "random.h"
  27
  28 #define MAKE_AMORPH(N) *(N)|=AMORPH
  29 #define MAKE_CRYST(N) *(N)&=~AMORPH
  30
  31 int usage(void)
  32 {
  33  puts("usage:");
  34  puts("-h \t\t help");
  35  puts("-n \t\t no user interaction");
  36  printf("-a <value> \t slope of nuclear energy loss (default %f)\n",A_EL);
  37  printf("-b <value> \t nuclear energy loss offset (default %f)\n",B_EL);
  38  printf("-x <value> \t # x cells (default %d)\n",X);
  39  printf("-y <value> \t # x cells (default %d)\n",Y);
  40  printf("-z <value> \t # x cells (default %d)\n",Z);
  41  printf("-X <value> \t display x (default %d)\n",X/2-1);
  42  printf("-Y <value> \t display y (default %d)\n",Y/2-1);
  43  printf("-Z <value> \t display z (default %d)\n",Z/2-1);
  44  printf("-s <value> \t steps (default %d)\n",STEPS);
  45  printf("-d <value> \t refresh display (default %d)\n",REFRESH);
  46  printf("-r <value> \t amorphous influence range (default %d)\n",RANGE);
  47  printf("-f <value> \t pressure = <value> * 1/distance^2 (default %f)\n",A_AP);
  48  printf("-p <value> \t pressure offset (default %f)\n",B_AP);
  49  printf("-A <value> \t slope of linear c distribution (default %f)\n",A_CD);
  50  printf("-B <value> \t linear c distribution offset (default %f)\n",B_CD);
  51  printf("-C <value> \t initial c concentration (default %d)\n",CC);
  52  puts("-L <file> \t load from file");
  53  puts("-S <file> \t save to file");
  54  puts("-R <file> \t read from random file");
  55
  56  return 1;
  57 }
  58
  59 int process_cell(d3_lattice *d3_l,u32 x,u32 y,u32 z,int r,double a,double b,int *t_c)
  60 {
  61  unsigned char *thiz;
  62  int *conc;
  63  int i,j;
  64  double p;
  65
  66  thiz=d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  67  conc=d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  68  p=b*URAND_MAX;
  69  for(i=-r;i<=r;i++)
  70  {
  71   for(j=-r;j<=r;j++)
  72   {
  73    if(!(i==0 && j==0))
  74    {
  75     if(*(d3_l->status+((x+d3_l->max_x+i)%d3_l->max_x)+((y+d3_l->max_y+j)%d3_l->max_x)*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH) p+=a*URAND_MAX/(i*i+j*j);
  76    }
  77   }
  78  }
  79  p*=*conc;
  80  if(!(*thiz&AMORPH))
  81  {
  82   if(get_rand(URAND_MAX)<=p)
  83   {
  84    MAKE_AMORPH(thiz);
  85    *t_c=*t_c+1-*conc;
  86   } else *t_c+=1;
  87  } else
  88  {
  89   /* assume 1-p probability */
  90   if(get_rand(URAND_MAX)>p)
  91   {
  92    MAKE_CRYST(thiz);
  93    *t_c=*t_c+1+*conc;
  94   } else *t_c+=1;
  95  }
  96
  97  return 1;
  98 }
  99
 100 int distrib_c(d3_lattice *d3_l,int t_c,double a,double b)
 101 {
 102  int i,j,k,total,area;
 103  double sum;
 104  int temp,left;
 105  int *area_h;
 106  u32 x,y,z;
 107
 108  area=d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 109  area_h=(int *)malloc(d3_l->max_z*sizeof(int));
 110
 111  total=0;
 112  sum=b*d3_l->max_z+a*d3_l->max_z*(d3_l->max_z+1)/2;
 113  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++)
 114  {
 115   area_h[i]=0;
 116   for(j=0;j<area;j++)
 117   {
 118    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 119    {
 120     area_h[i]+=1;
 121    }
 122   }
 123   temp=(int)((i+1)*a+b)*t_c/(sum*area_h[i]);
 124   if(temp)
 125   {
 126    for(j=0;j<area;j++)
 127    {
 128     if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 129     {
 130      *(d3_l->extra+(i*area)+j)=temp;
 131      total+=temp;
 132     }
 133    }
 134   }
 135   left=(int)(((i+1)*a+b)*t_c/sum)%area_h[i];
 136   while(left)
 137   {
 138    x=get_rand(d3_l->max_x);
 139    y=get_rand(d3_l->max_y);
 140    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 141    {
 142     *(d3_l->extra+(i*area)+x+y*d3_l->max_x)+=1;
 143     total+=1;
 144     left-=1;
 145    }
 146   }
 147  }
 148  left=t_c-total;
 149  while(left)
 150  {
 151   x=get_rand(d3_l->max_x);
 152   y=get_rand(d3_l->max_y);
 153   z=get_rand_lgp(d3_l->max_z,a,b);
 154   if(!(*(d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH))
 155   {
 156    *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 157    left-=1;
 158   }
 159  }
 160  free(area_h);
 161
 162  return 1;
 163 }
 164
 165 int save_to_file(char *sf,d3_lattice *d3_l)
 166 {
 167  int sf_fd,c;
 168
 169  if((sf_fd=open(sf,O_WRONLY|O_CREAT))<0)
 170  {
 171   puts("cannot open save file");
 172   return -1;
 173  }
 174  if(write(sf_fd,d3_l,sizeof(d3_lattice))<sizeof(d3_lattice))
 175  {
 176   puts("failed saving d3 lattice struct");
 177   return -1;
 178  }
 179  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 180  if(write(sf_fd,d3_l->status,c*sizeof(unsigned char))<c*sizeof(unsigned char))
 181  {
 182   puts("failed saving status of d3 lattice sites");
 183   return -1;
 184  }
 185  if(write(sf_fd,d3_l->extra,c*sizeof(int))<c*sizeof(int))
 186  {
 187   puts("failed saving sites concentration");
 188   return -1;
 189  }
 190  close(sf_fd);
 191
 192  return 1;
 193 }
 194
 195 int load_from_file(char *lf,d3_lattice *d3_l)
 196 {
 197  int lf_fd,c;
 198
 199  if((lf_fd=open(lf,O_RDONLY))<0)
 200  {
 201   puts("cannot open load file");
 202   return -1;
 203  }
 204  if(read(lf_fd,d3_l,sizeof(d3_lattice))<sizeof(d3_lattice))
 205  {
 206   puts("failed reading d3 lattice struct");
 207   return -1;
 208  }
 209  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 210  if((d3_l->status=(unsigned char*)malloc(c*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 211  {
 212   puts("cannot allocate status buffer");
 213   return -1;
 214  }
 215  if((d3_l->extra=(int *)malloc(c*sizeof(int)))==NULL)
 216  {
 217   puts("cannot allocate concentration buffer");
 218   return -1;
 219  }
 220  if(read(lf_fd,d3_l->status,c*sizeof(unsigned char))<c*sizeof(unsigned char))
 221  {
 222   puts("failed reading status of d3 lattice sites");
 223   return -1;
 224  }
 225  if(read(lf_fd,d3_l->extra,c*sizeof(int))<c*sizeof(int))
 226  {
 227   puts("failed reading sites concentration");
 228   return -1;
 229  }
 230  close(lf_fd);
 231
 232  return 1;
 233 }
 234
 235 int main(int argc,char **argv)
 236 {
 237  u32 max_x,max_y,max_z,x,y,z,x_c,y_c,z_c;
 238  int i,quit,escape,nowait;
 239  double a_el,b_el,a_cd,b_cd,a_ap,b_ap;
 240  int cc,steps,range,refresh;
 241  char s_file[MAX_CHARS];
 242  char l_file[MAX_CHARS];
 243  char r_file[MAX_CHARS];
 244  char x_txt[MAX_TXT];
 245  char y_txt[MAX_TXT];
 246  char z_txt[MAX_TXT];
 247  char status_txt[MAX_TXT];
 248  char conc_txt[MAX_TXT];
 249  char steps_txt[MAX_TXT];
 250  char cc_txt[MAX_TXT];
 251  char *arg_v[MAX_ARGV];
 252  d3_lattice d3_l;
 253
 254  max_x=X;
 255  max_y=Y;
 256  max_z=Z;
 257  x=X/2-1;
 258  y=Y/2-1;
 259  z=Z/2-1;
 260  steps=STEPS;
 261  range=RANGE;
 262  refresh=REFRESH;
 263  a_el=A_EL;
 264  b_el=B_EL;
 265  a_cd=A_CD;
 266  b_cd=B_CD;
 267  a_ap=A_AP;
 268  b_ap=B_AP;
 269  cc=CC;
 270  nowait=0;
 271  quit=0;
 272  escape=0;
 273  strcpy(s_file,"");
 274  strcpy(l_file,"");
 275  strcpy(r_file,"");
 276
 277  for(i=1;i<argc;i++)
 278  {
 279   if(argv[i][0]=='-')
 280   {
 281    switch(argv[i][1])
 282    {
 283     case 'h':
 284      usage();
 285      return -1;
 286     case 'n':
 287      nowait=1;
 288      break;
 289     case 'a':
 290      a_el=atof(argv[++i]);
 291      break;
 292     case 'b':
 293      b_el=atof(argv[++i]);
 294      break;
 295     case 'x':
 296      max_x=atoi(argv[++i]);
 297      break;
 298     case 'y':
 299      max_y=atoi(argv[++i]);
 300      break;
 301     case 'z':
 302      max_z=atoi(argv[++i]);
 303      break;
 304     case 'X':
 305      x=atoi(argv[++i]);
 306      break;
 307     case 'Y':
 308      y=atoi(argv[++i]);
 309      break;
 310     case 'Z':
 311      z=atoi(argv[++i]);
 312      break;
 313     case 's':
 314      steps=atoi(argv[++i]);
 315      break;
 316     case 'd':
 317      refresh=atoi(argv[++i]);
 318      break;
 319     case 'r':
 320      range=atoi(argv[++i]);
 321      break;
 322     case 'f':
 323      a_ap=atof(argv[++i]);
 324      break;
 325     case 'p':
 326      b_ap=atof(argv[++i]);
 327      break;
 328     case 'A':
 329      a_cd=atof(argv[++i]);
 330      break;
 331     case 'B':
 332      b_cd=atof(argv[++i]);
 333      break;
 334     case 'C':
 335      cc=atoi(argv[++i]);
 336      break;
 337     case 'L':
 338      strcpy(l_file,argv[++i]);
 339      break;
 340     case 'S':
 341      strcpy(s_file,argv[++i]);
 342      break;
 343     case 'R':
 344      strcpy(r_file,argv[++i]);
 345      break;
 346     default:
 347      usage();
 348      return -1;
 349    }
 350   } else usage();
 351  }
 352
 353  if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 354  else rand_init(r_file);
 355
 356  if(!strcmp(l_file,""))
 357  {
 358   i=max_x*max_y*max_z;
 359   d3_lattice_init(&argc,argv,&d3_l,max_x,max_y,max_z);
 360   if((d3_l.status=(unsigned char *)malloc(i*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 361   {
 362    puts("failed allocating status buffer");
 363    return -1;
 364   }
 365   memset(d3_l.status,0,i*sizeof(unsigned char));
 366   if((d3_l.extra=(int *)malloc(i*sizeof(int)))==NULL)
 367   {
 368    puts("failed allocating concentration buffer");
 369    return -1;
 370   }
 371   memset(d3_l.extra,0,i*sizeof(int));
 372  } else
 373  {
 374   load_from_file(l_file,&d3_l);
 375   d3_lattice_init(&argc,argv,&d3_l,d3_l.max_x,d3_l.max_y,d3_l.max_z);
 376  }
 377
 378  d3_event_init(&d3_l);
 379
 380  if(!strcmp(l_file,""))
 381  {
 382   i=0;
 383   while((i<steps) && (quit==0) && (escape==0))
 384   {
 385    x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 386    y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 387    z_c=get_rand_lgp(d3_l.max_z,a_el,b_el);
 388    distrib_c(&d3_l,cc,a_cd,b_cd);
 389    process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,range,a_ap,b_ap,&cc);
 390    if(i%refresh==0)
 391    {
 392     sprintf(x_txt,"x: %d",x+1);
 393     sprintf(y_txt,"y: %d",y+1);
 394     sprintf(z_txt,"z: %d",z+1);
 395     sprintf(status_txt,"status: %c",(*(d3_l.status+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y)&AMORPH)?'a':'c');
 396     sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l.extra+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y));
 397     sprintf(steps_txt,"step: %d",i);
 398     sprintf(cc_txt,"total c: %d",cc);
 399     arg_v[1]=x_txt;
 400     arg_v[2]=y_txt;
 401     arg_v[3]=z_txt;
 402     arg_v[4]=NULL;
 403     arg_v[5]=status_txt;
 404     arg_v[6]=conc_txt;
 405     arg_v[7]=NULL;
 406     arg_v[8]=NULL;
 407     arg_v[9]=steps_txt;
 408     arg_v[10]=cc_txt;
 409     d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,10,arg_v);
 410     scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 411    }
 412    i++;
 413   }
 414  }
 415
 416  if(strcmp(s_file,"")) save_to_file(s_file,&d3_l);
 417
 418  while((quit==0) && (escape==0) && (nowait==0))
 419  {
 420   sprintf(x_txt,"x: %d",x);
 421   sprintf(y_txt,"y: %d",y);
 422   sprintf(z_txt,"z: %d",z);
 423   sprintf(status_txt,"status: %c",(*(d3_l.status+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y)&AMORPH)?'a':'c');
 424   sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l.extra+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y));
 425   strcpy(steps_txt,"step: end!");
 426   sprintf(cc_txt,"total c: %d",cc);
 427   arg_v[1]=x_txt;
 428   arg_v[2]=y_txt;
 429   arg_v[3]=z_txt;
 430   arg_v[4]=NULL;
 431   arg_v[5]=status_txt;
 432   arg_v[6]=conc_txt;
 433   arg_v[7]=NULL;
 434   arg_v[8]=NULL;
 435   arg_v[9]=steps_txt;
 436   arg_v[10]=cc_txt;
 437   d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,10,arg_v);
 438   scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 439  }
 440
 441  return 1;
 442 }