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