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