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,sum;
 103  int temp,left;
 104  int *area_h;
 105  u32 x,y,z;
 106
 107  area=d3_l->max_x*d3_l->max_y;
 108  area_h=(int *)malloc(d3_l->max_z*sizeof(int));
 109
 110  total=0;
 111  sum=0;
 112  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++)
 113  {
 114   area_h[i]=0;
 115   for(j=0;j<area;j++)
 116   {
 117    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 118    {
 119     sum+=(i+1)*a+b;
 120     area_h[i]+=1;
 121    }
 122   }
 123  }
 124  for(i=0;i<d3_l->max_z;i++)
 125  {
 126   temp=((i+1)*a+b)*t_c/(sum+area_h[i]);
 127   if(temp>1)
 128   {
 129    for(j=0;j<area;j++)
 130    {
 131     if(!(*(d3_l->status+(i*area)+j)&AMORPH))
 132     {
 133      *(d3_l->extra+(i*area)+j)=temp;
 134      total+=temp;
 135     }
 136    }
 137   }
 138   left=(int)(((i+1)*a+b)*t_c/sum)%area_h[i];
 139   while(left)
 140   {
 141    x=get_rand(d3_l->max_x);
 142    y=get_rand(d3_l->max_y);
 143    if(!(*(d3_l->status+(i*area)+x+y*d3_l->max_x)&AMORPH))
 144    {
 145     *(d3_l->extra+(i*area)+x+y*d3_l->max_x)+=1;
 146     total+=1;
 147     left-=1;
 148    }
 149   }
 150  }
 151  left=t_c-total;
 152  while(left)
 153  {
 154   x=get_rand(d3_l->max_x);
 155   y=get_rand(d3_l->max_y);
 156   z=get_rand_lgp(d3_l->max_z,a,b);
 157   if(!(*(d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH))
 158   {
 159    *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 160    left-=1;
 161    total+=1;
 162   }
 163  }
 164
 165  return 1;
 166 }
 167
 168 int save_to_file(char *sf,d3_lattice *d3_l)
 169 {
 170  int sf_fd,c;
 171
 172  if((sf_fd=open(sf,O_WRONLY|O_CREAT))<0)
 173  {
 174   puts("cannot open save file");
 175   return -1;
 176  }
 177  if(write(sf_fd,d3_l,sizeof(d3_lattice))<sizeof(d3_lattice))
 178  {
 179   puts("failed saving d3 lattice 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)
 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  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 213  if((d3_l->status=(unsigned char*)malloc(c*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 214  {
 215   puts("cannot allocate status buffer");
 216   return -1;
 217  }
 218  if((d3_l->extra=(int *)malloc(c*sizeof(int)))==NULL)
 219  {
 220   puts("cannot allocate concentration buffer");
 221   return -1;
 222  }
 223  if(read(lf_fd,d3_l->status,c*sizeof(unsigned char))<c*sizeof(unsigned char))
 224  {
 225   puts("failed reading status of d3 lattice sites");
 226   return -1;
 227  }
 228  if(read(lf_fd,d3_l->extra,c*sizeof(int))<c*sizeof(int))
 229  {
 230   puts("failed reading sites concentration");
 231   return -1;
 232  }
 233  close(lf_fd);
 234
 235  return 1;
 236 }
 237
 238 int main(int argc,char **argv)
 239 {
 240  u32 max_x,max_y,max_z,x,y,z,x_c,y_c,z_c;
 241  int i,quit,escape,nowait;
 242  double a_el,b_el,a_cd,b_cd,a_ap,b_ap;
 243  int cc,steps,range,refresh;
 244  char s_file[MAX_CHARS];
 245  char l_file[MAX_CHARS];
 246  char r_file[MAX_CHARS];
 247  char x_txt[MAX_TXT];
 248  char y_txt[MAX_TXT];
 249  char z_txt[MAX_TXT];
 250  char status_txt[MAX_TXT];
 251  char conc_txt[MAX_TXT];
 252  char steps_txt[MAX_TXT];
 253  char cc_txt[MAX_TXT];
 254  char **arg_v;
 255  d3_lattice d3_l;
 256
 257  max_x=X;
 258  max_y=Y;
 259  max_z=Z;
 260  x=X/2-1;
 261  y=Y/2-1;
 262  z=Z/2-1;
 263  steps=STEPS;
 264  range=RANGE;
 265  refresh=REFRESH;
 266  a_el=A_EL;
 267  b_el=B_EL;
 268  a_cd=A_CD;
 269  b_cd=B_CD;
 270  a_ap=A_AP;
 271  b_ap=B_AP;
 272  cc=CC;
 273  nowait=0;
 274  quit=0;
 275  escape=0;
 276  strcpy(s_file,"");
 277  strcpy(l_file,"");
 278  strcpy(r_file,"");
 279
 280  for(i=1;i<argc;i++)
 281  {
 282   if(argv[i][0]=='-')
 283   {
 284    switch(argv[i][1])
 285    {
 286     case 'h':
 287      usage();
 288      return -1;
 289     case 'n':
 290      nowait=1;
 291      break;
 292     case 'a':
 293      a_el=atof(argv[++i]);
 294      break;
 295     case 'b':
 296      b_el=atof(argv[++i]);
 297      break;
 298     case 'x':
 299      max_x=atoi(argv[++i]);
 300      break;
 301     case 'y':
 302      max_y=atoi(argv[++i]);
 303      break;
 304     case 'z':
 305      max_z=atoi(argv[++i]);
 306      break;
 307     case 'X':
 308      x=atoi(argv[++i]);
 309      break;
 310     case 'Y':
 311      y=atoi(argv[++i]);
 312      break;
 313     case 'Z':
 314      z=atoi(argv[++i]);
 315      break;
 316     case 's':
 317      steps=atoi(argv[++i]);
 318      break;
 319     case 'd':
 320      refresh=atoi(argv[++i]);
 321      break;
 322     case 'r':
 323      range=atoi(argv[++i]);
 324      break;
 325     case 'f':
 326      a_ap=atof(argv[++i]);
 327      break;
 328     case 'p':
 329      b_ap=atof(argv[++i]);
 330      break;
 331     case 'A':
 332      a_cd=atof(argv[++i]);
 333      break;
 334     case 'B':
 335      b_cd=atof(argv[++i]);
 336      break;
 337     case 'C':
 338      cc=atoi(argv[++i]);
 339      break;
 340     case 'L':
 341      strcpy(l_file,argv[++i]);
 342      break;
 343     case 'S':
 344      strcpy(s_file,argv[++i]);
 345      break;
 346     case 'R':
 347      strcpy(r_file,argv[++i]);
 348      break;
 349     default:
 350      usage();
 351      return -1;
 352    }
 353   } else usage();
 354  }
 355
 356  if(!strcmp(r_file,"")) rand_init(NULL);
 357  else rand_init(r_file);
 358
 359  if(!strcmp(l_file,""))
 360  {
 361   i=max_x*max_y*max_z;
 362   d3_lattice_init(&argc,argv,&d3_l,max_x,max_y,max_z);
 363   if((d3_l.status=(unsigned char *)malloc(i*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 364   {
 365    puts("failed allocating status buffer");
 366    return -1;
 367   }
 368   memset(d3_l.status,0,i*sizeof(unsigned char));
 369   if((d3_l.extra=(int *)malloc(i*sizeof(int)))==NULL)
 370   {
 371    puts("failed allocating concentration buffer");
 372    return -1;
 373   }
 374   memset(d3_l.extra,0,i*sizeof(int));
 375  } else
 376  {
 377   load_from_file(l_file,&d3_l);
 378   d3_lattice_init(&argc,argv,&d3_l,d3_l.max_x,d3_l.max_y,d3_l.max_z);
 379  }
 380
 381  d3_event_init(&d3_l);
 382
 383  if(!strcmp(l_file,""))
 384  {
 385   while((i<steps) && (quit==0) && (escape==0))
 386   {
 387    x_c=get_rand(d3_l.max_x);
 388    y_c=get_rand(d3_l.max_y);
 389    z_c=get_rand_lgp(d3_l.max_z,a_el,b_el);
 390    distrib_c(&d3_l,cc,a_cd,b_cd);
 391    process_cell(&d3_l,x_c,y_c,z_c,range,a_ap,b_ap,&cc);
 392    if(i%refresh==0)
 393    {
 394     sprintf(x_txt,"x: %d",x);
 395     sprintf(y_txt,"y: %d",y);
 396     sprintf(z_txt,"z: %d",z);
 397     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');
 398     sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l.extra+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y));
 399     sprintf(steps_txt,"step: %d",i);
 400     sprintf(cc_txt,"total c: %d",cc);
 401     arg_v[1]=x_txt;
 402     arg_v[2]=y_txt;
 403     arg_v[3]=z_txt;
 404     arg_v[4]=NULL;
 405     arg_v[5]=status_txt;
 406     arg_v[6]=conc_txt;
 407     arg_v[7]=NULL;
 408     arg_v[8]=NULL;
 409     arg_v[9]=steps_txt;
 410     arg_v[10]=cc_txt;
 411     d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,10,arg_v);
 412     scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 413    }
 414    i++;
 415   }
 416  }
 417
 418  if(strcmp(s_file,"")) save_to_file(s_file,&d3_l);
 419
 420  while((quit==0) && (escape==0) && (nowait==0))
 421  {
 422   sprintf(x_txt,"x: %d",x);
 423   sprintf(y_txt,"y: %d",y);
 424   sprintf(z_txt,"z: %d",z);
 425   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');
 426   sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l.extra+x+y*d3_l.max_x+z*d3_l.max_x*d3_l.max_y));
 427   strcpy(steps_txt,"step: end!");
 428   sprintf(cc_txt,"total c: %d",cc);
 429   arg_v[1]=x_txt;
 430   arg_v[2]=y_txt;
 431   arg_v[3]=z_txt;
 432   arg_v[4]=NULL;
 433   arg_v[5]=status_txt;
 434   arg_v[6]=conc_txt;
 435   arg_v[7]=NULL;
 436   arg_v[8]=NULL;
 437   arg_v[9]=steps_txt;
 438   arg_v[10]=cc_txt;
 439   d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,10,arg_v);
 440   scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 441  }
 442
 443  return 1;
 444 }