Self-vacancies in Gallium Arsenide: an ab initio calculation

We report here a reexamination of the static properties of vacancies in GaAs by means of first-principles density-functional calculations using localized basis sets. Our calculated formation energies yields results that are in good agreement with recent experimental and {\it ab-initio} calculation and provide a complete description of the relaxation geometry and energetic for various charge state of vacancies from both sublattices. Gallium vacancies are stable in the 0, -, -2, -3 charge state, but V_Ga^-3 remains the dominant charge state for intrinsic and n-type GaAs, confirming results from positron annihilation. Interestingly, Arsenic vacancies show two successive negative-U transitions making only +1, -1 and -3 charge states stable, while the intermediate defects are metastable. The second transition (-/-3) brings a resonant bond relaxation for V_As^-3 similar to the one identified for silicon and GaAs divacancies.Comment: 14 page

Managing the supercell approximation for charged defects in semiconductors: finite size scaling, charge correction factors, the bandgap problem and the ab initio dielectric constant

The errors arising in ab initio density functional theory studies of semiconductor point defects using the supercell approximation are analyzed. It is demonstrated that a) the leading finite size errors are inverse linear and inverse cubic in the supercell size, and b) finite size scaling over a series of supercells gives reliable isolated charged defect formation energies to around +-0.05 eV. The scaled results are used to test three correction methods. The Makov-Payne method is insufficient, but combined with the scaling parameters yields an ab initio dielectric constant of 11.6+-4.1 for InP. Gamma point corrections for defect level dispersion are completely incorrect, even for shallow levels, but re-aligning the total potential in real-space between defect and bulk cells actually corrects the electrostatic defect-defect interaction errors as well. Isolated defect energies to +-0.1 eV are then obtained using a 64 atom supercell, though this does not improve for larger cells. Finally, finite size scaling of known dopant levels shows how to treat the band gap problem: in less than about 200 atom supercells with no corrections, continuing to consider levels into the theoretical conduction band (extended gap) comes closest to experiment. However, for larger cells or when supercell approximation errors are removed, a scissors scheme stretching the theoretical band gap onto the experimental one is in fact correct.Comment: 11 pages, 3 figures (6 figure files). Accepted for Phys Rev

Density functional theory calculations of defect energies using supercells

Reliable calculations of defect properties may be obtained with density functional theory using the supercell approximation. We systematically review the known sources of error and suggest how to perform calculations of defect properties in order to minimize errors. We argue that any analytical error-correction scheme relying on electrostatic considerations is not appropriate to derive reliable defect formation energies, especially not for relaxed geometries. Instead we propose finite size scaling of the calculated defect formation energies, and compare the use of this with both fully converged and "Gamma" (Γ) point only k-point integration. We give a recipe for practical DFT calculations which will help to obtain reliable defect formation energies and demonstrate it using examples from III-V semiconductors

Vacancies in SiGe: Jahn–Teller distortion and spin effects

The electronic structure of a vacancy in silicon-germanium is studied using ab initio total-energy minimization methods. The calculations are based on density-functional theory in the local-spin-density approximation. We report ionic relaxations, defect formation energies and ionization levels of Si and Gevacancies in a zinc blende model structure (SiGe). The Gevacancy in SiGe is characterized by symmetry-lowering Jahn–Teller (JT) distortions and a negative-effective-U effect, in those respects resembling the vacancy in elemental silicon. For Si vacancy, the exchange-coupling energy is found to overcome the JT energy, and symmetric high-spin ground states are predicted.Peer reviewe

OZO v.1.0 : software for solving a generalised omega equation and the Zwack-Okossi height tendency equation using WRF model output

A software package (OZO, Omega-Zwack-Okossi) was developed to diagnose the processes that affect vertical motions and geopotential height tendencies in weather systems simulated by the Weather Research and Forecasting (WRF) model. First, this software solves a generalised omega equation to calculate the vertical motions associated with different physical forcings: vorticity advection, thermal advection, friction, diabatic heating, and an imbalance term between vorticity and temperature tendencies. After this, the corresponding height tendencies are calculated with the Zwack-Okossi tendency equation. The resulting height tendency components thus contain both the direct effect from the forcing itself and the indirect effects (related to the vertical motion induced by the same forcing) of each physical mechanism. This approach has an advantage compared with previous studies with the Zwack-Okossi equation, in which vertical motions were used as an independent forcing but were typically found to compensate the effects of other forcings. The software is currently tailored to use input from WRF simulations with Cartesian geometry. As an illustration, results for an idealised 10-day baroclinic wave simulation are presented. An excellent agreement is found between OZO and the direct WRF output for both the vertical motion and the height tendency fields. The individual vertical motion and height tendency components demonstrate the importance of both adiabatic and diabatic processes for the simulated cyclone. OZO is an open-source tool for both research and education, and the distribution of the software will be supported by the authors.Peer reviewe

Lähiruuan ekologisten vaikutusten selvitys

Tässä työssä luotiin arviointikehikko lähiruuan kestävyyden arvioimisen pohjaksi ja tarkasteltiin, miten lähiruuan ekologista kestävyyttä voidaan mitata ja miten siitä voidaan viestiä. Arviointikehikko sisälsiruuan ravitsemuksen, paikallisten luonnonvarojen käytön, rehevöittävän vaikutuksen, ekotoksiset ja toksiset vaikutukset, vaikutuksen biologiseen monimuotoisuuteen, vaikutukset ekosysteemipalveluihin, ilmastovaikutuksen ja tietyt tuotanto-kulutusketjun sosioekonomisen kestävyyden osa-alueet. Viimeksi mainittu keskittyi lähiruuan kannalta keskeisiin kysymyksiin sisältäen vaikutukset paikalliseen huoltovarmuuteen, sosiaalisiin ja taloudellisiin verkostoihin, innovatiiviseen yritystoimintaan, työllistävyyteen, työhyvinvointiin, kulttuuriin, eläinten hyvinvointiin ja toimitusketjujen pituuden merkityksiin. Arviointikehikkoonsisältyvien ekologista kestävyyttä kuvaavien kvantitatiivisten, tuotekohtaisten mittareiden käyttöä testattiin lähiruokaketjuissa kolmella erilaisella kohdealueella, Varsinais-Suomessa, Hämeessä ja Keski-Suomessa. Lisäksi kunkin edellä mainitun alueen luonnonvarojen käytöntilaa tarkasteltiin ensin alueellisen maankäytön sekä kulutus-tuotanto-rakenteen kannalta. Tuotekohtaisten ekologisen kestävyyden mittareidentestaus toteutettiin elinkaarimenetelmällä (LCA) yhteensä 14 lähiruokatuoteketjusta (38 yritystä) sisällyttäen vaiheet “pellolta kauppaan” eli alkutuotannon, jalostus-, pakkaus- ja kuljetus-osat sekä kaupan, suurkeittiön tai lähiruokapiirin. Tuotteet valittiin kunkin alueen lähiruokatoimijoiden intressin ja tutkimuksellisen vertailumahdollisuuden näkökulmat huomioiden. Tuotantoketjun toimijoilta kerättyjen tietojen perusteella arvioitiin lähiruokatuotteiden ilmastovaikutus, rehevöittävä vaikutus ja tilalla käytettyjen kasvinsuojeluaineiden aiheuttama ekotoksinen vaikutus. Lisäksi kartoitettiin kyselytutkimuksella tilan monimuotoisuuteen vaikuttavia toimenpiteitä. Tuotetason ympäristövaikutusten tarkastelun perustaksi valittiin kansallisten ravitsemussuositusten kestävyyttä kuvaavaosio ja sitä täydennettiin ravitsemusarvoon suhteutetun ympäristövaikutusmittarilla (E/Nindeksin). Yleisellä tasolla paikallisten luonnonvarojen käyttö liittyy lähiruuan tuotannon kannalta paikallisiin maankäytön resursseihin ja niiden järkevään ja säästävään hyödyntämiseen, sivuvirtojen paikalliseen hyödyntämiseen sekä ravinteiden kierrätykseen ja energiapitoisten massojen hyödyntämiseen uusiutuvana energiana. Sesonkisuuden hyödyntäminen on lähiruualle erityinen mahdollisuus. Lähiruuan tuotekohtaiset rehevöittävät vaikutukset olivat tapauskohtaisia eli osalla tuotteista rehevöittävä vaikutus oli suurempi ja toisilla pienempi kuin keskimäärin vastaavalla suomalaisella ns. valtavirtatuotteella. Rehevöittävät vaikutukset samoin kuin biodiversiteettiin kohdistuvat vaikutukset ovat hyvin paikallisia. Näiden vaikutusten tarkastelussa paikallisen ympäristön herkkyys ympäristövaikutuksille on otettava huolellisesti huomioon. Monimuotoisuuden osalta lähiruualla on paljon kestävyyttä parantavia mahdollisuuksia. Hankkeessa tehdyn ympäristötoimenpidekyselyn perusteella lähiruokatuottajilla näyttäisi myös olevan tavanomaista tuottajaa enemmän kiinnostusta monimuotoisuuden edistämiseen. Lähiruuan monipuolisuuteen ja resurssien kierrätykseen liittyvät pyrkimykset ovat ilmeisen edullisia myös paikallisten ekosysteemipalvelujen kannalta. Torjunta-aineiden käyttö ja siitä aiheutuva ekotoksinen vaikutus lähiruuan tuotannossa vaihtelivat paljon; minimitasosta yllättävän korkeaan haitallisuustasoon. Kemiallista torjuntaa tulee käyttää vain todettuun tarpeeseen myös lähiruuan osalta IPM periaatteiden mukaan. Lähiruokatuotteiden ilmastovaikutukset olivat tapauskohtaista niin kuin rehevöittävän vaikutuksenkin. Eläinperäiset tuotteet tuottivat suuremman ilmastovaikutuksen kuin kasviperäiset, poikkeuksena mukana ollut riistatuote (hirven liha), jonka ilmastovaikutus jäi kuormittavimpien kasvikunnan tuotteiden tasolle. Joidenkin lähiruokatuotteiden kuljetuksen hiilijalanjälki oli suhteettoman suuri verrattuna valtavirtatuotteisiin. Lähiruuan näkökulmasta on suuri ongelma, että elintarviketuotannon tuotantorakenteet ja kuljetukset on pääsääntöisesti toteutettu valtavirtatuotannon näkökulmasta. Lähiruoka tarvitsisi kuljetusten kehittämiseksioman paikallisen ”räätälöintinsä”. Lähiruokatuotannolla on aivan ilmeisiä käyttämättömiä mahdollisuuksia ekologisen kestävyyden lisäksi sosio-ekonomisen kestävyyden kehittämisen kannalta, varsinkin jos lähituotantoon liittyvää järjestelmällistä viestintää ja yhteiskehittämistä voitaisiin tehostaa. Edellä kuvattuja päätelmiä yhdistävä argumenttipankki: ’Perusteita lähiruoan kestävyysvaikutuksista viestimiseen’ julkaistiin erillisenä tiiviinä julkaisuna1. Argumentit ovat kestävyyttä parantavia toimenpiteitä kuvaavia väittämiä, joiden toteutumista voidaan, elinkaarianalyysin tarjoamissa puitteissa, mitata kvantitatiivisesti, tai kvantitatiivisten mittareiden puuttuessa, kuvata laadullisen selosteen(tuotekohtaisen kuvauksen) avulla.The aim of this project was to develop measures, criteria and document-based arguments for sustainability of Finnish local food. A framework was designed during the first phase of the work to assess the sustainability of local food production. The framework included the following dimensions: nutritional value of food, use of local resources in food production, eutrophication, ecotoxic and toxic impacts of food production, impacts of food production on biodiversity and ecosystem services, climate change and socioeconomic sustainability of production (consumption chains). Regarding socio-economic sustainability, only specific aspects were considered, including local supply security, social and economic networks, innovative entrepreneurship, employment, work welfare, culture, animal welfare and length of productionconsumption chains. In the second phase the framework was tested for ecological sustainability of local food chains from three different regions in Finland, from the southern coast to the southern inland region, reaching the central inland region. The basis of sustainable use of resources and sensitivity to environmental impacts in the three regions were evaluated according to geography and the context of consumption-production. Life Cycle Assessment (LCA) based product-specific indicators for ecological sustainability were tested for 14 local food chains (included 38 companies) in the three regions. In each region, typical local products of high commercial interest were tested and chain-specific data were collected directly from stakeholders. Impacts of climate change, and eutrophication and ecotoxicity impacts were included. All chains covered phases “from field to grocery”, i.e. primary production, processing, packaging and transport phases, including the grocery store, commercial kitchen or local food establishment. In addition, factors that affected farm biodiversity were evaluated using a questionnaire provided to farmers. That focused on environmental activities carried out on-farm. An argument bank was constructed in the third phase. The arguments were based on identification of actual tasks that should be undertaken to enhance ecological and socio-economic sustainability of a local product. The LCA based indicators were included for quantitative measures to be used to monitor the level of sustainability. For those tasks, where quantitative indicators were missing, a qualitative description was used to document activities. The aim of this phase was to support ecological sustainability of local food enterprises in terms of communication and marketing. In addition to the production side, consumer-focused versions of arguments were used for local food consumers in order to help them specify their demands for food sustainability. The nutritional value of food represented the basis for assessment of ecological sustainability, in accordance with the national nutrition guidelines. Sustainability of local resource use was directly linked to land use, efficiency of resource use and side flows, accuracy of nutrient recycling and utilization of local energy sources. Bringing seasonal food into play provides unique opportunities for local food production. An overview of the LCA based results showed that some of the local products induced higher, and other lower, impacts than similar products in an average Finnish production chain. Eutrophication and biodiversity impacts of local food are particularly dependent on sensitivity of the local environment. The results need to be carefully assessed in the context of local circumstances. Local food production represents many opportunities to support biodiversity. A simple survey in this study indicated that local food producers could become more interested in environmental matters. In general terms, local food has good potential to support ecosystem services through biodiversity and recycling of resources. Chemical use and impact on sustainability of local food production ranged from insignificant to highly hazardous. Chemical control will be used only if preventative measures do not adequately suffice for plant health and crop according to IPM. Product-specific impacts of climate change on local food were chain specific; typically animal based products had higher impact than plant based ones. However, locally based game products such as moose had a very low climate change impact. The overall problem with local food is that its logistics have developed in line with mainstream production. Transportation created relatively high climate impact for some products. Specific logistics should be applied to meet the specific demands of local food better. Concerning socio-economic sustainability, which is in many ways linked to ecological sustainability, there are missed opportunities in local food production. Communication and collaboration among stakeholders should be enhanced. It is important to produce knowledge and communicate it within and among local consumer groups. A summary of the findings was included in the argument bank and published as a separate booklet available on the web2