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(3d_lattice *3d_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=3d_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y;
  67  conc=3d_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(rand_get(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(rand_get(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(3d_lattice *3d_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=(((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  left=t_c-total;
 151  while(left)
 152  {
 153   x=get_rand(d3_l->max_x);
 154   y=get_rand(d3_l->max_y);
 155   z=get_rand_lgp(d3_l->max_z,a,b);
 156   if(!(*(d3_l->status+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)&AMORPH))
 157   {
 158    *(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y)+=1;
 159    left-=1;
 160    total+=1;
 161   }
 162  }
 163
 164  return 1;
 165 }
 166
 167 int save_to_file(char *sf,3d_lattice *3d_l)
 168 {
 169  int sf_fd,c;
 170
 171  if((sf_fd=open(sf,O_WRONLY|O_CREAT))<0)
 172  {
 173   puts("cannot open save file");
 174   return -1;
 175  }
 176  if(write(sf_fd,3d_l,sizeof(3d_lattice))<sizeof(3d_lattice))
 177  {
 178   puts("failed saving 3d lattice struct");
 179   return -1;
 180  }
 181  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 182  if(write(sf_fd,3d_l->status,c*sizeof(unsigned char)<c*sizeof(unsigned char))
 183  {
 184   puts("failed saving status of 3d lattice sites");
 185   return -1;
 186  }
 187  if(write(sf_fd,3d_l->extra,c*sizeof(int)<c*sizeof(int))
 188  {
 189   puts("failed saving sites concentration");
 190   return -1;
 191  }
 192  close(sf_fd);
 193
 194  return 1;
 195 }
 196
 197 int load_from_file(char *lf,3d_lattice *3d_l)
 198 {
 199  int lf_fd,c;
 200
 201  if((lf_fd=open(lf,O_RDONLY))<0)
 202  {
 203   puts("cannot open load file");
 204   return -1;
 205  }
 206  if(read(lf_fd,3d_l,sizeof(3d_lattice))<sizeof(3d_lattice))
 207  {
 208   puts("failed reading d3 lattice struct");
 209   return -1;
 210  }
 211  c=d3_l->max_x*d3_l->max_y*d3_l->max_z;
 212  if((d3_l->status=(unsigned char*)malloc(c*sizeof(unsigned char)))==NULL)
 213  {
 214   puts("cannot allocate status buffer");
 215   return -1;
 216  }
 217  if((d3_l->extra=(int *)malloc(c*sizeof(int)))==NULL)
 218  {
 219   puts("cannot allocate concentration buffer");
 220   return -1;
 221  }
 222  if(read(lf_fd,3d_l->status,c*sizeof(unsigned char))<c*sizeof(unsigned char))
 223  {
 224   puts("failed reading status of 3d lattice sites");
 225   return -1;
 226  }
 227  if(read(lf_fd,3d_l->extra,c*sizeof(int))<c*sizeof(int))
 228  {
 229   puts("failed reading sites concentration");
 230   return -1;
 231  }
 232  close(lf_fd);
 233
 234  return 1;
 235 }
 236
 237 int main(int argc,char **argv)
 238 {
 239  u32 max_x,max_y,max_z,x,y,z,x_c,y_c,z_c;
 240  int i,quit,escape,nowait;
 241  double a_el,b_el,a_cd,b_cd,a_ap,b_ap;
 242  int cc,steps,range,refresh;
 243  char s_file[MAX_CHARS];
 244  char l_file[MAX_CHARS];
 245  char r_file[MAX_CHARS];
 246  x_txt[MAX_TXT];
 247  y_txt[MAX_TXT];
 248  z_txt[MAX_TXT];
 249  status_txt[MAX_TXT];
 250  conc_txt[MAX_TXT];
 251  steps_txt[MAX_TXT];
 252  cc_txt[MAX_TXT];
 253  **arg_v;
 254  d3_lattice d3_l;
 255
 256  max_x=X;
 257  max_y=Y;
 258  max_z=Z;
 259  x=X/2-1;
 260  y=Y/2-1;
 261  z=Z/2-1;
 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  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   while((i<steps) && (quit==0) && (escape==0))
 383   {
 384    x_c=rand_get(d3_l->max_x);
 385    y_c=rand_get(d3_l->max_y);
 386    z_c=rand_get_lgp(d3_l->max_z,a_el,b_el);
 387    distrib_c(&3d_l,cc,a_cd,b_cd);
 388    process_cell(&3d_l,x_c,y_c,z_c,range,a_ap,b_ap,&cc);
 389    if(i%refresh==0)
 390    {
 391     sprintf(x_txt,"x: %d",x);
 392     sprintf(y_txt,"y: %d",y);
 393     sprintf(z_txt,"z: %d",z);
 394     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');
 395     sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y));
 396     sprintf(steps_txt,"step: %d",i);
 397     sprintf(cc_txt,"total c: %d",cc);
 398     arg_v[1]=x_txt;
 399     arg_v[2]=y_txt;
 400     arg_v[3]=z_txt;
 401     arg_v[4]=NULL;
 402     arg_v[5]=status_txt;
 403     arg_v[6]=conc_txt;
 404     arg_v[7]=NULL;
 405     arg_v[8]=NULL;
 406     arg_v[9]=steps_txt;
 407     arg_v[10]=cc_txt;
 408     d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,10,arg_v);
 409     scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 410    }
 411    ++i;
 412   }
 413  }
 414
 415  while((quit==0) && (escape==0) && (nowait==0))
 416  {
 417   sprintf(x_txt,"x: %d",x);
 418   sprintf(y_txt,"y: %d",y);
 419   sprintf(z_txt,"z: %d",z);
 420   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');
 421   sprintf(conc_txt,"conc: %d",*(d3_l->extra+x+y*d3_l->max_x+z*d3_l->max_x*d3_l->max_y));
 422   strcpy(steps_txt,"step: end!");
 423   sprintf(cc_txt,"total c: %d",cc);
 424   arg_v[1]=x_txt;
 425   arg_v[2]=y_txt;
 426   arg_v[3]=z_txt;
 427   arg_v[4]=NULL;
 428   arg_v[5]=status_txt;
 429   arg_v[6]=conc_txt;
 430   arg_v[7]=NULL;
 431   arg_v[8]=NULL;
 432   arg_v[9]=steps_txt;
 433   arg_v[10]=cc_txt;
 434   d3_lattice_draw(&d3_l,x,y,z,10,arg_v);
 435   scan_event(&d3_l,&x,&y,&z,&quit,&escape);
 436  }
 437
 438  return 1;
 439 }