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  /*
  42  printf("-X <value> \t display x (default %d)\n",X/2-1);
  43  printf("-Y <value> \t display y (default %d)\n",Y/2-1);
  44  printf("-Z <value> \t display z (default %d)\n",Z/2-1);
  45  */
  46  printf("-s <value> \t steps (default %d)\n",STEPS);
  47  printf("-d <value> \t refresh display (default %d)\n",REFRESH);
  48  printf("-r <value> \t amorphous influence range (default %d)\n",RANGE);
  49  printf("-f <value> \t pressure = <value> * 1/distance^2 (default %f)\n",A_AP);
  50  printf("-p <value> \t pressure offset (default %f)\n",B_AP);
  51  printf("-A <value> \t slope of linear c distribution (default %f)\n",A_CD);
  52  printf("-B <value> \t linear c distribution offset (default %f)\n",B_CD);
  53  /*
  54  printf("-C <value> \t initial c concentration (default %d)\n",CC);
  55  */
  56  printf("-D <value> \t diffusion rate from cryst to amorph cells (default %f)\n",D_R);
  57  puts("-L <file> \t load from file");
  58  puts("-S <file> \t save to file");
  59  puts("-R <file> \t read from random file");
  60
  61  return 1;
  62 }
  63
  64 int process_cell(d3_lattice *d3_l,u32 x,u32 y,u32 z,int r,double a,double b,int *t_c)
  65 {
  66  unsigned char *thiz;
  67  int *conc;
  68  int i,j;
  69  double p;
  70
  71  thiz=d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  72  conc=d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  73  p=b*URAND_MAX;
  74  for(i=-r;i<=r;i++)
  75  {
  76   for(j=-r;j<=r;j++)
  77   {
  78    if(!(i==0 && j==0))
  79    {
  80     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);
  81    }
  82   }
  83  }
  84  if(!(*thiz&AMORPH))
  85  {
  86   if(get_rand(URAND_MAX)<=p)
  87   {
  88    MAKE_AMORPH(thiz);
  89    // *t_c=*t_c+1-*conc;
  90   } // else *t_c+=1;
  91  } else
  92  {
  93   /* assume 1-p probability */
  94   if(get_rand(URAND_MAX)>p)
  95   {
  96    MAKE_CRYST(thiz);
  97    // *t_c=*t_c+1+*conc;
  98   } // else *t_c+=1;
  99  }
 100
 101  *t_c+=1;
 102
 103  return 1;
 104 }
 105
 106 int distrib_c(d3_lattice *d3_l,double d_r,double a,double b)
 107 {
 108  u32 x,y,z;
 109  int i,j,k,c;
 110  int offset,off;
 111  int carry;
 112
 113  /* put one c ion somewhere in the lattice */
 114  x=get_rand(d3_l->max_x);
 115  y=get_rand(d3_l->max_y);
 116  z=get_rand_lgp(d3_l->max_z,a,b);
 117  *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 118
 119  /* diffusion in layer */
 120  for(i=0;i<d3_l->max_x;i++)
 121  {
 122   for(j=0;j<d3_l->max_y;j++)
 123   {
 124    for(k=0;k<d3_l->max_z;k++)
 125    {
 126     offset=i+j*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 127     /* case amorph */
 128     if(*(d3_l->status+offset)&AMORPH)
 129     {
 130      /* look at neighbours and move c ions */
 131      for(c=-1;c<=1;c++)
 132      {
 133       if(c!=0)
 134       {
 135        off=((i+d3_l->max_x+c)%d3_l->max_x)+j*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 136        /* case neighbour not amorph */
 137        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(d_r*(*(d3_l->extra+off)));
 138        /* case neighbour amorph */
 139        else carry=(*(d3_l->extra+off)-*(d3_l->extra+offset))/2;
 140        if(carry!=0)
 141        {
 142         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 143         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 144        }
 145       }
 146      }
 147      for(c=-1;c<=1;c++)
 148      {
 149       if(c!=0)
 150       {
 151        off=i+((j+c+d3_l->max_y)%d3_l->max_y)*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 152        /* case neighbour not amorph */
 153        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH)) carry=(int)(d_r*(*(d3_l->extra+off)));
 154        /* case neighbour amorph */
 155        else carry=(*(d3_l->extra+off)-*(d3_l->extra+offset))/2;
 156        if(carry!=0)
 157        {
 158         *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 159         *(d3_l->extra+off)-=carry;
 160        }
 161       }
 162      }
 163     } else
 164     /* case not amorph */
 165     {
 166      /* look at neighbours and move c ions */
 167      for(c=-1;c<=1;c++)
 168      {
 169       if(c!=0)
 170       {
 171        off=i+((j+c+d3_l->max_y)%d3_l->max_y)*d3_l->max_x+k*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 172        /* case neighbour not amorph */
 173        if(!(*(d3_l->status+off)&AMORPH))
 174        {
 175         carry=(*(d3_l->extra+off)-*(d3_l->extra+offset))/2;
 176         if(carry!=0)
 177         {
 178          *(d3_l->extra+offset)+=carry;
 179          *(d3_l->extra+off)-=carry;
 180         }
 181        }
 182       }
 183      }
 184     }
 185    } /* for z */
 186   } /* for y */
 187  } /* for x */
 188
 189  return 1;
 190 }
 191
 192 int distrib_c_old(d3_lattice *d3_l,int t_c,double a,double b)
 193 {
 194  int i,j,k,total,area;
 195  double sum;
 196  int temp,left;
 197  int *area_h;
 198  u32 x,y,z;
 199
 200  area=d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 201  area_h=(int *)malloc(d3_l->max_z*sizeof(int));
 202
 203  total=0;
 204  sum=b*d3_l->max_z+a*d3_l->max_z*(d3_l->max_z+1)/2;
 205  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++)
 206  {
 207   area_h[i]=0;
 208   for(j=0;j<area;j++)
 209   {
 210    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 211    {
 212     area_h[i]+=1;
 213    }
 214   }
 215   temp=(int)((i+1)*a+b)*t_c/(sum*area_h[i]);
 216   for(j=0;j<area;j++)
 217   {
 218    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 219    {
 220     *(d3_l->extra+(i*area)+j)=temp;
 221     total+=temp;
 222    }
 223   }
 224   left=(int)(((i+1)*a+b)*t_c/sum)%area_h[i];
 225   while(left)
 226   {
 227    x=get_rand(d3_l->max_x);
 228    y=get_rand(d3_l->max_y);
 229    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+x+y*d3_l->max_x)&AMORPH))
 230    {
 231     *(d3_l->extra+(i*area)+x+y*d3_l->max_x)+=1;
 232     total+=1;
 233     left-=1;
 234    }
 235   }
 236  }
 237  left=t_c-total;
 238  while(left)
 239  {
 240   x=get_rand(d3_l->max_x);
 241   y=get_rand(d3_l->max_y);
 242   z=get_rand_lgp(d3_l->max_z,a,b);
 243   if(!(*(d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*area)&AMORPH))
 244   {
 245    *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*area)+=1;
 246    left-=1;
 247   }
 248  }
 249  free(area_h);
 250
 251  return 1;
 252 }
 253
 254 int save_to_file(char *sf,d3_lattice *d3_l,info *my_inf)
 255 {
 256  int sf_fd,c;
 257
 258  if((sf_fd=open(sf,O_WRONLY|O_CREAT))<0)
 259  {
 260   puts("cannot open save file");
 261   return -1;
 262  }
 263  if(write(sf_fd,d3_l,sizeof(d3_lattice))<sizeof(d3_lattice))
 264  {
 265   puts("failed saving d3 lattice struct");
 266   return -1;
 267  }
 268  if(write(sf_fd,my_inf,sizeof(info))<sizeof(info))
 269  {
 270   puts("failed saving info struct");
 271   return-1;
 272  }
 273  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 274  if(write(sf_fd,d3_l->status,c*sizeof(unsigned char))<c*sizeof(unsigned char))
 275  {
 276   puts("failed saving status of d3 lattice sites");
 277   return -1;
 278  }
 279  if(write(sf_fd,d3_l->extra,c*sizeof(int))<c*sizeof(int))
 280  {
 281   puts("failed saving sites concentration");
 282   return -1;
 283  }
 284  close(sf_fd);
 285
 286  return 1;
 287 }
 288
 289 int load_from_file(char *lf,d3_lattice *d3_l,info *my_inf)
 290 {
 291  int lf_fd,c;
 292
 293  if((lf_fd=open(lf,O_RDONLY))<0)
 294  {
 295   puts("cannot open load file");
 296   return -1;
 297  }
 298  if(read(lf_fd,d3_l,sizeof(d3_lattice))<sizeof(d3_lattice))
 299  {
 300   puts("failed reading d3 lattice struct");
 301   return -1;
 302  }
 303  if(read(lf_fd,my_inf,sizeof(info))<sizeof(info))
 304  {
 305   puts("failed reading info struct");
 306   return-1;
 307  }
 308  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 309  if((d3_l->status=(unsigned char*)malloc(c*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 310  {
 311   puts("cannot allocate status buffer");
 312   return -1;
 313  }
 314  if((d3_l->extra=(int *)malloc(c*sizeof(int)))==NULL)
 315  {
 316   puts("cannot allocate concentration buffer");
 317   return -1;
 318  }
 319  if(read(lf_fd,d3_l->status,c*sizeof(unsigned char))<c*sizeof(unsigned char))
 320  {
 321   puts("failed reading status of d3 lattice sites");
 322   return -1;
 323  }
 324  if(read(lf_fd,d3_l->extra,c*sizeof(int))<c*sizeof(int))
 325  {
 326   puts("failed reading sites concentration");
 327   return -1;
 328  }
 329  close(lf_fd);
 330
 331  return 1;
 332 }
 333
 334 int main(int argc,char **argv)
 335 {
 336  u32 max_x,max_y,max_z,x,y,z,x_c,y_c,z_c;
 337  int i,quit,escape,nowait;
 338  int refresh;
 339  char s_file[MAX_CHARS];
 340  char l_file[MAX_CHARS];
 341  char r_file[MAX_CHARS];
 342  char x_txt[MAX_TXT];
 343  char y_txt[MAX_TXT];
 344  char z_txt[MAX_TXT];
 345  char status_txt[MAX_TXT];
 346  char conc_txt[MAX_TXT];
 347  char steps_txt[MAX_TXT];
 348  char cc_txt[MAX_TXT];
 349  char a_txt[MAX_TXT];
 350  char s_txt[MAX_TXT];
 351  char ap_txt[MAX_TXT];
 352  char el_txt[MAX_TXT];
 353  char cd_txt[MAX_TXT];
 354  char r_txt[MAX_TXT];
 355  char ap2_txt[MAX_TXT];
 356  char cd2_txt[MAX_TXT];
 357  char el2_txt[MAX_TXT];
 358  char dr_txt[MAX_TXT];
 359  char *arg_v[MAX_ARGV];
 360  d3_lattice d3_l;
 361  info my_info;
 362
 363  max_x=X;
 364  max_y=Y;
 365  max_z=Z;
 366  my_info.steps=STEPS;
 367  my_info.range=RANGE;
 368  refresh=REFRESH;
 369  my_info.a_el=A_EL;
 370  my_info.b_el=B_EL;
 371  my_info.a_cd=A_CD;
 372  my_info.b_cd=B_CD;
 373  my_info.a_ap=A_AP;
 374  my_info.b_ap=B_AP;
 375  my_info.cc=CC;
 376  my_info.d_r=D_R;
 377  nowait=0;
 378  quit=0;
 379  escape=0;
 380  strcpy(s_file,"");
 381  strcpy(l_file,"");
 382  strcpy(r_file,"");
 383
 384  for(i=1;i<argc;i++)
 385  {
 386   if(argv[i][0]=='-')
 387   {
 388    switch(argv[i][1])
 389    {
 390     case 'h':
 391      usage();
 392      return -1;
 393     case 'n':
 394      nowait=1;
 395      break;
 396     case 'a':
 397      my_info.a_el=atof(argv[++i]);
 398      break;
 399     case 'b':
 400      my_info.b_el=atof(argv[++i]);
 401      break;
 402     case 'x':
 403      max_x=atoi(argv[++i]);
 404      break;
 405     case 'y':
 406      max_y=atoi(argv[++i]);
 407      break;
 408     case 'z':
 409      max_z=atoi(argv[++i]);
 410      break;
 411     /*
 412     case 'X':
 413      x=atoi(argv[++i]);
 414      break;
 415     case 'Y':
 416      y=atoi(argv[++i]);
 417      break;
 418     case 'Z':
 419      z=atoi(argv[++i]);
 420      break;
 421     */
 422     case 's':
 423      my_info.steps=atoi(argv[++i]);
 424      break;
 425     case 'd':
 426      refresh=atoi(argv[++i]);
 427      break;
 428     case 'r':
 429      my_info.range=atoi(argv[++i]);
 430      break;
 431     case 'f':
 432      my_info.a_ap=atof(argv[++i]);
 433      break;
 434     case 'p':
 435      my_info.b_ap=atof(argv[++i]);
 436      break;
 437     case 'A':
 438      my_info.a_cd=atof(argv[++i]);
 439      break;
 440     case 'B':
 441      my_info.b_cd=atof(argv[++i]);
 442      break;
 443     /*
 444     case 'C':
 445      my_info.cc=atoi(argv[++i]);
 446      break;
 447     */
 448     case 'D':
 449      my_info.d_r=atof(argv[++i]);
 450      break;
 451     case 'L':
 452      strcpy(l_file,argv[++i]);
 453      break;
 454     case 'S':
 455      strcpy(s_file,argv[++i]);
 456      break;
 457     case 'R':
 458      strcpy(r_file,argv[++i]);
 459      break;
 460     default:
 461      usage();
 462      return -1;
 463    }
 464   } else usage();
 465  }
 466
 467  x=max_x/2-1;
 468  y=max_y/2-1;
 469  z=max_z/2-1;
 470
 471
 472
 473  if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 474  else rand_init(r_file);
 475
 476  if(!strcmp(l_file,""))
 477  {
 478   i=max_x*max_y*max_z;
 479   d3_lattice_init(&argc,argv,&d3_l,max_x,max_y,max_z);
 480   if((d3_l.status=(unsigned char *)malloc(i*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 481   {
 482    puts("failed allocating status buffer");
 483    return -1;
 484   }
 485   memset(d3_l.status,0,i*sizeof(unsigned char));
 486   if((d3_l.extra=(int *)malloc(i*sizeof(int)))==NULL)
 487   {
 488    puts("failed allocating concentration buffer");
 489    return -1;
 490   }
 491   memset(d3_l.extra,0,i*sizeof(int));
 492  } else
 493  {
 494   load_from_file(l_file,&d3_l,&my_info);
 495   d3_lattice_init(&argc,argv,&d3_l,d3_l.max_x,d3_l.max_y,d3_l.max_z);
 496  }
 497
 498  d3_event_init(&d3_l);
 499
 500  strcpy(a_txt,"args:");
 501  sprintf(s_txt,"steps: %d",my_info.steps);
 502  sprintf(r_txt,"pressure range: %d",my_info.range);
 503  sprintf(ap_txt,"pressure faktor: %.2f",my_info.a_ap);
 504  sprintf(ap2_txt,"pressure offset: %.2f",my_info.b_ap);
 505  sprintf(el_txt,"energy loss slope: %.2f",my_info.a_el);
 506  sprintf(el2_txt,"energy loss offset: %.2f",my_info.b_el);
 507  sprintf(cd_txt,"c distrib slope: %.2f",my_info.a_cd);
 508  sprintf(cd2_txt,"c distrib offset: %.2f",my_info.b_cd);
 509  sprintf(dr_txt,"diffusion rate: %.2f",my_info.d_r);
 510  arg_v[1]=x_txt;
 511  arg_v[2]=y_txt;
 512  arg_v[3]=z_txt;
 513  arg_v[4]=NULL;
 514  arg_v[5]=status_txt;
 515  arg_v[6]=conc_txt;
 516  arg_v[7]=NULL;
 517  arg_v[8]=NULL;
 518  arg_v[9]=NULL;
 519  arg_v[10]=steps_txt;;
 520  arg_v[11]=cc_txt;
 521  arg_v[12]=NULL;
 522  arg_v[13]=NULL;
 523  arg_v[14]=a_txt;
 524  arg_v[15]=NULL;
 525  arg_v[16]=s_txt;
 526  arg_v[17]=r_txt;
 527  arg_v[18]=ap_txt;
 528  arg_v[19]=ap2_txt;
 529  arg_v[20]=el_txt;
 530  arg_v[21]=el2_txt;
 531  arg_v[22]=cd_txt;
 532  arg_v[23]=cd2_txt;
 533  arg_v[24]=dr_txt;
 534
 535  if(!strcmp(l_file,""))
 536  {
 537   i=0;
 538   while((i<my_info.steps) && (quit==0) && (escape==0))
 539   {
 540    x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 541    y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 542    z_c=get_rand_lgp(d3_l.max_z,my_info.a_el,my_info.b_el);
 543    distrib_c(&d3_l,my_info.d_r,my_info.a_cd,my_info.b_cd);
 544    process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,my_info.range,my_info.a_ap,my_info.b_ap,&(my_info.cc));
 545    if(i%refresh==0)
 546    {
 547     sprintf(x_txt,"x: %d",x+1);
 548     sprintf(y_txt,"y: %d",y+1);
 549     sprintf(z_txt,"z: %d",z+1);
 550     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');
 551     sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l.extra+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y));
 552     sprintf(steps_txt,"step: %d",i);
 553     sprintf(cc_txt,"total c: %d",my_info.cc);
 554     d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,24,arg_v);
 555     // scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 556    }
 557    i++;
 558   }
 559  }
 560
 561  if(strcmp(s_file,"")) save_to_file(s_file,&d3_l,&my_info);
 562
 563  while((quit==0) && (escape==0) && (nowait==0))
 564  {
 565   sprintf(x_txt,"x: %d",x+1);
 566   sprintf(y_txt,"y: %d",y+1);
 567   sprintf(z_txt,"z: %d",z+1);
 568   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');
 569   sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l.extra+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y));
 570   strcpy(steps_txt,"step: end!");
 571   sprintf(cc_txt,"total c: %d",my_info.cc);
 572   d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,24,arg_v);
 573   scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 574  }
 575
 576  d3_lattice_release(&d3_l);
 577
 578  return 1;
 579 }