pre alpha (shortly before 1. iter release)
[lectures/latex.git] / posic / publications / c_defects_in_si.tex
1 \documentclass[prb,twocolumn,superscriptaddress,a4paper,showkeys,showpacs]{revtex4}
2 \usepackage{graphicx}
3 \usepackage{subfigure}
4 \usepackage{dcolumn}
5 \usepackage{booktabs}
6 \usepackage{units}
7 \usepackage{amsmath}
8 \usepackage{amsfonts}
9 \usepackage{amssymb}
10
11 % additional stuff
12 \usepackage{miller}
13
14 \begin{document}
15
16 \title{Description of Defects in Carbon implanted Silicon -- a comparison of classical potentials and first principles methods}
17 \author{F. Zirkelbach} \author{B. Stritzker}
18 \affiliation{Experimentalphysik IV, Universit\"at Augsburg, D-86135 Augsburg, Germany}
19 \author{K. Nordlund}
20 \affiliation{Accelerator Laboratory, University of Helsinki, 00014 Helsinki, Finland}
21 \author{J. K. N. Lindner}
22 \affiliation{Experimentelle Physik, Universit\"at Paderborn, 33095 Paderborn, Germany}
23 \author{W. G. Schmidt} \author{E. Rauls}
24 \affiliation{Theoretische Physik, Universit\"at Paderborn, 33095 Paderborn, Germany}
25
26 \begin{abstract}
27 A comparative theoretical investigation of carbon interstitials in silicon is presented.
28 Calculations using classical potentials are put aside first principles density functional theory calculations of the geometries, formation and activation energies of the carbon dumbbell interstitial, showing the importance of a quantum-mechanical description of this system.
29 By first principles the migration path of interstitial carbon is identified exhibiting an activation energy that -- for the first time -- excellently matches experimental findings.
30 The bond-centered interstitial configuration is found to show a net magnetization of two electrons illustrating the imperative of spin polarized calculations.
31
32 \end{abstract}
33
34 \keywords{point defects, migration, interstitials, first principles calculations, classical potentials}
35 \pacs{find out later...}
36 \maketitle
37
38 %  --------------------------------------------------------------------------------
39 \section{Introduction}
40
41 %Frank:  Idea: description of 3C-SiC-precipitation in C-implanted silicon.\\ 
42 %        cite and describe briefly experimental work - why is this material important/better than other SiC).  \\ 
43 %        Describe the precipitation process in brief.\\ 
44 %        Sum up literature where classical potentials have been used (a) successful, and (b) failed. Also add citations of Nordlunds papers. Not only on silicon or SiC!\\
45
46 % there should be a short motivation for the material system!
47 Silicon carbide (SiC) has a number of remarkable physical and chemical properties.
48 The wide band gap semiconductor (2.3 eV - 3.3 eV) exhibiting a high breakdown field, saturated electron drift velocity and thermal conductivity in conjunction with its unique thermal and mechanical stability as well as radiation hardness is a suitable material for high-temperature, high-frequency and high-power devices\cite{wesch96,morkoc94}, which are moreover deployable in harsh and radiation-hard environments\cite{capano97}.
49 % there are different polytpes with different properties and 3c-sic in special
50 SiC, which forms fourfold coordinated covalent bonds, tends to crystallize into many different modifications, which solely differ in the one-dimensional stacking sequence of identical, close-packed SiC bilayers\cite{fischer90}.
51 Different polytypes exhibit different properties, in which the cubic phase (3C-SiC) shows increased values for the thermal conductivity and breakdown field compared to other polytypes\cite{wesch96}, which is, thus, most effective for high-performance electronic devices.
52
53 % (thin films of) 3c-sic can be produced by ibs
54 Next to the fabrication of 3C-SiC layers by chemical vapor deposition (CVD) and molecular beam epitaxy (MBE) on hexagonal SiC\cite{powell90,fissel95,fissel95_apl} and Si\cite{nishino83,nishino87,kitabatake93,fissel95_apl} substrates, high-dose carbon implantation into crystalline silicon (c-Si) with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si\cite{borders71}.
55 % maybe split CVD and MBE from IBS and explain remaining problems:
56 % - on 6H-SiC: twin boundaries
57 % - on Si: structural defects due to thermal conductivity and lattice mismatch
58 Utilized and enhanced, ion beam synthesis (IBS) has become a promising method to form thin SiC layers of high quality exclusively of the 3C polytype embedded in and epitactically aligned to the Si host featuring a sharp interface\cite{lindner99,lindner01,lindner02}.
59 % precipitation model
60 However, only little is known on the SiC conversion in C implanted Si.
61 High resolution transmission electron microscopy (HREM) studies\cite{werner96,werner97,lindner99_2} suggest the formation of C-Si dimers (dumbbells) on regular Si lattice sites, which agglomerate into large clusters indicated by dark contrasts and otherwise undisturbed Si lattice fringes in HREM.
62 Once a critical radius of 2 nm to 4 nm is reached a topotactic transformation into a 3C-SiC precipitate occurs.
63 The transformation is manifested by the disappearance of dark contrasts in favor of Moir\'e patterns due to the lattice mismatch of \unit[20]{\%} of the 3C-SiC precipitate and c-Si.
64 The insignificantly lower Si density of SiC ($\approx \unit[4]{\%}$) compared to c-Si results in the emission of only a few excess Si atoms.
65 % motivation to understand the precipitation and link to atomistic simulations
66 A detailed understanding of the underlying processes will enable significant technological progress in 3C-SiC thin film formation and likewise offer perspectives for processes which rely upon prevention of precipitation events, e.g. the fabrication of strained pseudomorphic Si$_{1-y}$C$_y$ heterostructures\cite{strane96,laveant2002}.
67
68 Atomistic simulations offer a powerful tool to study materials on a microscopic level providing detailed insight not accessible by experiment.
69 Relevant structures consisting of $\approx 10^4$ atoms for the nanocrystal and even more atoms for a reasonably sized Si host matrix are too large to be completely described by high accuracy quantum mechanical methods.
70 Directly modelling the dynamics of the processes mentioned above almost inevitably requires the atomic interaction to be described by less accurate though computationally more efficient classical potentials.
71 The most common empirical potentials for covalent systems are the Stillinger-Weber\cite{stillinger85} (SW), Brenner\cite{brenner90}, Tersoff\cite{tersoff_si3} and environment-dependent interatomic (EDIP)\cite{bazant96,bazant97,justo98} potential.
72 Until recently\cite{lucas10}, a parametrization to describe the C-Si multicomponent system within the mentioned interaction models did only exist for the Tersoff\cite{tersoff_m} and related potentials.
73 Whether such potentials are appropriate for the description of the physical problem has, however, to be verified first by applying classical and quantum-mechanical methods to relevant processes that can be treated by both methods.
74 For instance, by combination of empirical potential molecular dynamics (MD) and density functional theory (DFT) calculations, SW turned out to be best suited for simulations of dislocation nucleation processes\cite{godet03} and threshold displacement energy calculations\cite{holmstroem08} important in ion implantation, while the Tersoff potential yielded a qualitative agreement for the interaction of Si self-interstitials with substitutional C\cite{mattoni2002}.
75 An extensive comparison\cite{balamane92} concludes that each potential has its strengths and limitations and none of them is clearly superior to others.
76 Despite their shortcomings these potentials are assumed to be reliable for large-scale simulations\cite{balamane92,huang95,godet03} on specific problems under investigation providing insight into phenomena that are otherwise not accessible by experimental or first principles methods.
77 Remaining shortcomings have frequently been resolved by modifying the interaction\cite{tang95,mattoni2007} or extending it\cite{devanathan98_2} with data gained from ab initio calculations\cite{nordlund97}.
78
79 In this work, the applicability of a Tersoff-like bond order potential\cite{albe_sic_pot}  to some basic processes involved in the initially mentioned SiC precipitation mechanism is investigated by comparing results gained by classical and ab inito calculations.
80 In the following a comparative investigation of density functional theory studies and classical potential calculations of the structure, energetics and mobility of carbon defects in silicon is presented.
81
82 %  --------------------------------------------------------------------------------
83 \section{Methodology}
84 % ----- DFT ------
85 The first-principles DFT calculations are performed with the plane-wave based Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP)\cite{kresse96}.
86 The Kohn-Sham equations are solved using the generalized-gradient XC-functional approximation proposed by Perdew and Wang (GGA-PW91)\cite{perdew86,perdew92}.
87 The electron-ion interaction is described by norm-conserving ultra-soft pseudopotentials\cite{hamann79} as implemented in VASP\cite{vanderbilt90}.
88 Throughout this work an energy cut-off of \unit[300]{eV} was used to expand the wave functions into the plane-wave basis.
89 Sampling of the Brillouin zone is restricted to the $\Gamma$-point.
90 The defect structures and the migration paths are modelled in cubic supercells containing 216 Si atoms.
91 The ions and cell shape are allowed to change in order to realize a constant pressure simulation.
92 Spin polarization is fully accounted for.
93 Only neutral defects are considered.
94
95 % ------ Albe potential ---------
96 %% Frank:  Setup/short description of the potential ?
97 For the classical potential calculations a supercell of 9 Si lattice constants in each direction consisting of 5832 Si atoms is used.
98 A Tersoff-like bond order potential by Erhart and Albe (EA)\cite{albe_sic_pot} is utilized, which accounts for nearest neighbour interactions only realized by a cut-off function dropping the interaction to zero in between the first and second next neighbour distance.
99 Constant pressure simulations are realized by the Berendsen barostat\cite{berendsen84}.
100 Structural relaxation in the MD run is achieved by the verlocity verlet algorithm\cite{verlet67} and the Berendsen thermostat\cite{berendsen84} with a time constant of \unit[1]{fs} resulting in direct velocity scaling and the temperature set to zero Kelvin.
101
102 \section{Results}
103
104 % ... wer sagt das ...
105 %After ion implantation, carbon interstitials are the most common defects in the silicon sample.
106 According to the assumed SiC precipitation model described in the introductary part, carbon interstitial defects form and agglomerate into large clusters.
107 Thus, it is of crucial importance to investigate the various possible structures of carbon defects and the mobility of the lowest energy, hence most probable, defect configuration in crystalline silicon.
108 %Their mobility is the crucial quantity to be investigated.
109 %We thus started our comparative investigations by comparing the stability and the mobility of an isolated carbon interstitial in silicon bulk in the various possible geometries it can take.
110
111 \subsection{Carbon interstitials in various geometries}
112
113 Table~\ref{tab:defects} summarizes the formation energies of defect structures for the EA and VASP calculations performed in this work as well as further results from literature.
114 The formation energies are defined in the same way as in the articles used for comparison\cite{tersoff90,dal_pino93} chosing SiC as a reservoir for the carbon impurity.
115 Relaxed geometries are displayed in Fig.~\ref{fig:defects}.
116 Astonishingly there is only little literature present to compare with.
117 \begin{table*}
118 \begin{ruledtabular}
119 \begin{tabular}{l c c c c c c}
120 %\hline
121 %\hline
122  & T & H & \hkl<1 0 0> DB & \hkl<1 1 0> DB & S & B \\
123 \hline
124  Erhart/Albe & 6.09 & 9.05$^*$ & 3.88 & 5.18 & 0.75 & 5.59$^*$ \\
125  VASP & unstable & unstable & 3.72 & 4.16 & 1.95 & 4.66 \\
126  Tersoff\cite{tersoff90} & 3.8 & 6.7 & 4.6 & 5.9 & 1.6 & 5.3 \\
127  ab initio\cite{dal_pino93,capaz94} & - & - & x & - & 1.89 \cite{dal_pino93} & x+2.1 \cite{capaz94} \\
128  % there is no more ab initio data!
129 %\hline
130 %\hline
131 \end{tabular}
132 \end{ruledtabular}
133 \caption{Formation energies of carbon point defects in crystalline silicon determined by classical potential and ab initio methods. The formation energies are given in eV. T denotes the tetrahedral, H the hexagonal, B the bond-centered and S the substitutional interstitial configuration. The dumbbell configurations are abbreviated by DB.  Formation energies for unstable configurations obtained by classical potential MD are marked by an asterisk and determined by using the low kinetic energy configuration shortly before the relaxation into the more favorable configuration starts.}
134 \label{tab:defects}
135 \end{table*}
136 \begin{figure}
137 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
138 \underline{Tetrahedral}\\
139 \includegraphics[width=\columnwidth]{tet.eps}
140 \end{minipage}
141 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
142 \underline{Hexagonal}\\
143 \includegraphics[width=\columnwidth]{hex.eps}
144 \end{minipage}
145 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
146 \underline{\hkl<1 0 0> dumbbell}\\
147 \includegraphics[width=\columnwidth]{100.eps}
148 \end{minipage}\\
149 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
150 \underline{\hkl<1 1 0> dumbbell}\\
151 \includegraphics[width=\columnwidth]{110.eps}
152 \end{minipage}
153 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
154 \underline{Substitutional}\\[0.05cm]
155 \includegraphics[width=\columnwidth]{sub.eps}
156 \end{minipage}
157 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
158 \underline{Bond-centered}\\
159 \includegraphics[width=\columnwidth]{bc.eps}
160 \end{minipage}
161 \caption{Configurations of carbon point defects in silicon. The silicon/carbon atoms and the bonds (only for the interstitial atom) are illustrated by yellow/grey spheres and blue lines. Bonds are drawn for atoms located within a certain distance and do not necessarily correspond to chemical bonds.}
162 \label{fig:defects}
163 \end{figure} 
164
165 Substitutional carbon (C$_{\text{sub}}$) in silicon, which is in fact not an interstitial defect, is found to be the lowest configuration with regard to energy for all potential models.
166 VASP calculations performed in this work are in good agreement with results obtained by classical potential simulations by Tersoff\cite{tersoff90} and ab initio calculations done by Dal Pino et~al\cite{dal_pino93}.
167 However, the EA potential dramatically underestimtes the C$_{\text{sub}}$ formation energy, which is a definite drawback of the potential.
168
169 Except for the Tersoff potential the \hkl<1 0 0> dumbbell (C$_{\text{I}}$) is the energetically most favorable interstital configuration, in which the C and Si dumbbell atoms share a Si lattice site.
170 This finding is in agreement with several theoretical\cite{burnard93,leary97,dal_pino93,capaz94} and experimental\cite{watkins76,song90} investigations.
171 Tersoff as well, considers C$_{\text{I}}$ to be the ground state configuration and believes an artifact due to the abrupt C-Si cut-off used in the potential to be responsible for the small value of the tetrahedral formation energy\cite{tersoff90}.
172 It should be noted that EA and VASP predict almost equal formation energies.
173 % pick up again later, that this is why erhart/albe is more promising for the specific problem under investigation
174 However, a qualitative difference is observed investigating the dumbbell structures.
175 While the C-Si distance of the dumbbell atoms is almost equal for both methods, the vertical position of the dumbbell inside the tetrahedra spanned by the four next neighboured Si atoms differs significantly.
176 The dumbbell based on the EA potential is almost centered around the regular Si lattice site as can be seen in Fig.~\ref{fig:defects} whereas for VASP calculations it is translated upwards with the C atom forming an almost collinear bond to the two Si atoms of the top face of the tetrahedra and the bond angle of the Si dumbbell atom to the two bottom face Si atoms approaching \unit[120]{$^\circ$}.
177 % maybe transfer to discussion chapter later
178 This indicates predominant sp and sp$^2$ hybridization for the C and Si dumbbell atom respectively.
179 Obviously the classical potential is not able to reproduce the clearly quantum-mechanically dominated character of bonding.
180 % substitute 'dominated'
181
182 Both, EA and VASP reveal the hexagonal configuration unstable relaxing into the C$_{\text{I}}$ ground state structure.
183 Tersoff finds this configuration stable, though it is the most unfavorable.
184 Thus, the highest formation energy observed by the EA potential is the tetrahedral configuration, which turns out to be unstable in VASP calculations.
185 % maybe transfer to discussion chapter later
186 The high formation energy of this defect involving a low probability to find such a defect in classical potential MD acts in concert with finding it unstable by the more accurate quantum-mechnical description.
187
188 The \hkl<1 1 0> dumbbell constitutes the second most favorable configuration, reproduced by both methods.
189 It is followed by the bond-centered (BC) configuration.
190 However, even though EA yields the same difference in energy with repsect to the \hkl<1 1 0> defect as VASP does, the BC configuration is found to be a saddle point within the EA description relaxing into the \hkl<1 1 0> configuration.
191 Tersoff indeed predicts a metastable BC configuration.
192 However it is not in the correct order and lower in energy than the \hkl<1 1 0> dumbbell.
193 Please note, that Capaz et~al.\cite{capaz94} in turn found this configuration to be a saddle point, which is about \unit[2.1]{eV} higher in energy than the C$_{\text{I}}$ configuration.
194 % due to missing accounting for electron spin ...
195 This is assumed to be due to the neglection of the electron spin in these calculations.
196 Another VASP calculation without fully accounting for the electron spin results in the smearing of a single electron over two non-degenerated states for the BC configuration.
197 This problem is resolved by spin polarized calculations resulting in a net spin of one accompanied by a reduction of the total energy by \unit[0.3]{eV} and the transformation into a metastable local minimum configuration.
198 All other configurations are not affected.
199
200 To conclude, discrepancies are observed between the results from classical potential calculations and those obtained from first principles.
201 Within the classical potentials EA outperforms Tersoff, which is, thus, used for further comparative studies.
202 Nevertheless, both methods (EA and VASP) predict the \hkl<1 0 0> dumbbell interstitial configuration to be most stable.
203 Also the remaining defects and their energetical order are described fairly well.
204 % sth like that ... defects might still be ok but when it comes to diffusion ...
205 It is thus concluded that -- so far -- modelling of the SiC precipitation by the EA potential might lead to trustable results.
206
207 \subsection{Mobility}
208
209 A measure for the mobility of the interstitial carbon is the activation energy for the migration path from one stable position to another.
210 The stable defect geometries have been discussed in the previous subsection.
211 In the following the migration of the most stable configuration, i.e. C$_{\text{I}}$, from one site of the Si host lattice to a neighbored site is investigated by both, EA and VASP calculations utilizing the constrained conjugate gradient relaxation technique (CRT)\cite{kaukonen98}.
212 Three migration pathways are investigated.
213 The starting configuration for all pathways is the \hkl[0 0 -1] dumbbell interstitial configuration.
214 In path~1 and 2 the final configuration is a \hkl[0 0 1] and \hkl[0 -1 0] dumbbell interstitial respectively, located at the next neighboured Si lattice site displaced by $\frac{a_{\text{Si}}}{4}$\hkl[1 1 -1], whereat $a_{\text{Si}}$ is the Si lattice constant.
215 In path~1 the C atom resides in the \hkl(1 1 0) plane crossing the BC configuration whereas in path~2 the C atom moves out of the \hkl(1 0 0) plane.
216 Path 3 ends in a \hkl[0 -1 0] configuration at the initial lattice site and, for this reason, corresponds to a reorientation of the dumbbell, a process not contributing to long range diffusion.
217
218 \begin{figure}
219 \begin{center}
220 \includegraphics[width=\columnwidth]{path2_plot.ps}\\
221 \includegraphics[width=\columnwidth]{path2_conf.ps}
222 \end{center}
223 \caption{Migration barrier and structures of the \hkl[0 0 -1] dumbbell (left) to the \hkl[0 -1 0] dumbbell (right) transition as obtained by first principles methods. The activation energy of \unit[0.9]{eV} agrees well with experimental findings of \unit[0.73]{eV}\cite{song90} and \unit[0.87]{eV}\cite{tipping87}.}
224 \label{fig:vasp_mig}
225 \end{figure} 
226 The lowest energy path (path~2) as detected by the first principles approach is illustrated in Fig.~\ref{fig:vasp_mig}, in which the \hkl[0 0 -1] dumbbell migrates towards the next neighboured Si atom escaping the \hkl(1 1 0) plane forming a \hkl[0 -1 0] dumbbell.
227 The activation energy of \unit[0.9]{eV} excellently agrees with experimental findings ranging from \unit[0.73]{eV}\cite{song90} to \unit[0.87]{eV}\cite{tipping87}.
228 % not the path you expected!
229 %This path is not surprising -- a similar behavior was e.g. found earlier for the carbon split interstitial \cite{rauls03a} and the phosphorus interstitial \cite{rauls03b,gerstmann03} in SiC.
230
231 \begin{figure}
232 \begin{center}
233 \includegraphics[width=\columnwidth]{path1_plot.ps}\\
234 \includegraphics[width=\columnwidth]{path1_conf.ps}
235 \end{center}
236 \caption{Migration barrier and structures of the bond-centered (left) to \hkl<0 0 -1> dumbbell (right) transition utilizing the classical potential method. Two different pathways are obtained for different time constants of the Berendsen thermostat. The lowest activation energy is \unit[2.2]{eV}.}
237 \label{fig:albe_mig}
238 \end{figure}
239 Calculations based on the EA potential yield a different picture.
240 Fig.~\ref{fig:albe_mig} shows the evolution of structure and energy along the lowest energy migration pathways (path~1) based on the EA potential.
241 Two different pathways are obtained for different time constants of the Berendsen thermostat.
242 With a time constant of \unit[1]{fs} the C atom resides in the \hkl(1 1 0) plane resulting in a migration barrier of \unit[2.4]{eV}.
243 % lower / weaker / less strong ?
244 However, lower coupling to the heat bath realized by a an increase of the time constant to \unit[100]{fs} enables the C atom to move out of the \hkl(1 1 0) plane already at the beginning, which is accompanied by a reduction in energy, approaching the final configuration on a curved path.
245 The energy barrier of this path is \unit[0.2]{eV} lower in energy than the direct migration within the \hkl(1 1 0) plane.
246 It should be noted that the BC configuration is actually not a local minimum configuration in EA based calculations since a relaxation into the \hkl<1 1 0> dumbbell configuration occurs.
247 However, investigating further migration pathways involving the \hkl<1 1 0> interstitial did not yield to lower migration barriers.
248 Thus, the lowest activation energy must be assumed to be higher than or equal to \unit[2.2]{eV}.
249 % experimental findings much lower, overestimated by a factor of 2.4
250
251 \section{Discussion}
252
253 The first principles results are in good agreement to previous work on this subject\cite{burnard93,leary97,dal_pino93,capaz94}.
254 The C-Si \hkl<1 0 0> dumbbell interstitial is found to be the ground state configuration of a C defect in Si.
255 The lowest migration path already proposed by Capaz et~al.\cite{capaz94} is reinforced by an additional improvement of the quantitative conformance of the barrier height calculated in this work (\unit[0.9]{eV}) with experimentally observed values (\unit[0.73]{eV} -- \unit[0.87]{eV})\cite{song90,tipping87}.
256 However, it turns out that the bond-centered configuration is not a saddle point configuration as proposed by Capaz et~al.\cite{capaz94} but constitutes a real local minimum if the electron spin is properly accounted for.
257 A net magnetization of two electrons, which is already clear by simple molecular orbital theory considerations, adjusts.
258 By investigating the charge density isosurface it turns out that the two resulting spin up electrons are localized in a torus around the C atom.
259 With an activation energy of \unit[0.9]{eV} the carbon interstitial can be expected to be mobile at prevailing temperatures in the process under investigation, i.e. IBS.
260
261 The description of the same processes obviously fails if classical potential methods are used.
262 Already the geometry of the most stable dumbbell configuration differs considerably from that obtained by first principles calculations.
263 Obviously the classical approach is unable to reproduce the correct character of bonding due to a too short treatment of quantum-mechanical effects in the potential.
264 Nevertheless, both methods predict the same type of interstitial as the ground state configuration and also the order in energy of the remaining defects is reproduced fairly well.
265 From this, a description of defect structures by classical potentials looks promising.
266 However, focussing on the description of diffusion processes the situation is changing completely.
267 Qualitative and quantitative differences exist.
268 First of all, a different pathway is suggested as the lowest energy path, which again might be attributed to the absence of quantum-mechanical effects in the classical interaction model.
269 Secondly, the activation energy is overestimated by a factor of 2.4 compared to the more accurate quantum-mechanical methods and experimental findings.
270 This is attributed to the sharp cut-off of the short range potential.
271 As already pointed out in a previous study\cite{mattoni2007} the short cut-off is responsible for overestimated and unphysical high forces of next neighboured atoms.
272 The overestimated migration barrier, however, affects the diffusion behavior of the C interstitials.
273 By this artifact the mobility of the C atoms is tremendously decreased resulting in an inaccurate description or even absence of the dumbbell agglomeration as proposed by the precipitation model.
274
275 \section{Summary}
276
277 To conclude, it is shown that ab initio calculations are very close to the results expected from experimental data.
278 Furthermore, they agree well with other theoretical results.
279 So far the best quantitative agreement with experimental findings has been achieved concerning the interstitial carbon mobility.
280 For the first time it is shown that the bond-centered configuration indeed constitutes a real local minimum configuration resulting in a net magnetization if spin polarized calculations are performed.
281 Classical potentials, however, fail to describe the selected processes.
282 This has been shown to have two reasons, i.e. the overestimated barrier of migration due to the artificial interaction cut-off on the one hand, and on the other hand the lack of quantum-mechanical effects which are crucial in the problem under study. 
283
284 % ----------------------------------------------------
285 \section*{Acknowledgment}
286 %The calculations were done using grants of computer time from the 
287 %Paderborn Center for Parallel Computing (PC$^2$) and the 
288 %H\"ochstleistungs-Rechenzentrum Stuttgart. The Deutsche 
289 %Forschungsgemeinschaft is acknowledged for financial support.
290 One of us (F.Z.) wants to acknowledge financial support by the Bayerische Forschungsstiftung (DPA-61/05).
291
292 % --------------------------------- references -------------------
293
294 %\bibliography{../../bibdb/bibdb}{}
295 %\bibliographystyle{h-physrev3}
296
297 % didnt know how to include these ...
298
299 %\bibitem{rauls03a} E. Rauls, A. Gali, P. DeĀ“ak, and Th. Frauenheim, Phys. Rev. B, 68, 155208 (2003).
300 %\bibitem{rauls03b} E. Rauls, U. Gerstmann, H. Overhof, and Th. Frauenheim, Physica B, Vols. 340-342, p. 184-189 (2003). 
301 %\bibitem{gerstmann03} U. Gerstmann, E. Rauls, Th. Frauenheim, and H. Overhof, Phys. Rev. B, 67, 205202, (2003).
302
303
304 \begin{thebibliography}{10}
305
306 \bibitem{wesch96}
307 W.~Wesch,
308 \newblock Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam
309   Interactions with Materials and Atoms {\bf 116}, 305 (1996),
310 \newblock Radiation Effects in Insulators.
311
312 \bibitem{morkoc94}
313 H.~Morko\c{c} {\em et~al.},
314 \newblock Journal of Applied Physics {\bf 76}, 1363 (1994).
315
316 \bibitem{capano97}
317 M.~A. Capano and R.~J. Trew,
318 \newblock MRS Bull. {\bf 22}, 19 (1997).
319
320 \bibitem{fischer90}
321 G.~R. Fisher and P.~Barnes,
322 \newblock Philosophical Magazine Part B {\bf 61}, 217 (1990).
323
324 \bibitem{powell90}
325 J.~A. Powell {\em et~al.},
326 \newblock Applied Physics Letters {\bf 56}, 1353 (1990).
327
328 \bibitem{fissel95}
329 A.~Fissel, U.~Kaiser, E.~Ducke, B.~Schr{\"{o}}ter, and W.~Richter,
330 \newblock Journal of Crystal Growth {\bf 154}, 72 (1995).
331
332 \bibitem{fissel95_apl}
333 A.~Fissel, B.~Schr{\"{o}}ter, and W.~Richter,
334 \newblock Applied Physics Letters {\bf 66}, 3182 (1995).
335
336 \bibitem{nishino83}
337 S.~Nishino, J.~A. Powell, and H.~A. Will,
338 \newblock Applied Physics Letters {\bf 42}, 460 (1983).
339
340 \bibitem{nishino87}
341 S.~Nishino, H.~Suhara, H.~Ono, and H.~Matsunami,
342 \newblock Journal of Applied Physics {\bf 61}, 4889 (1987).
343
344 \bibitem{kitabatake93}
345 M.~Kitabatake, M.~Deguchi, and T.~Hirao,
346 \newblock Journal of Applied Physics {\bf 74}, 4438 (1993).
347
348 \bibitem{borders71}
349 J.~A. Borders, S.~T. Picraux, and W.~Beezhold,
350 \newblock Applied Physics Letters {\bf 18}, 509 (1971).
351
352 \bibitem{lindner99}
353 J.~K.~N. Lindner and B.~Stritzker,
354 \newblock Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam
355   Interactions with Materials and Atoms {\bf 147}, 249 (1999).
356
357 \bibitem{lindner01}
358 J.~K.~N. Lindner,
359 \newblock Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam
360   Interactions with Materials and Atoms {\bf 178}, 44 (2001).
361
362 \bibitem{lindner02}
363 J.~K.~N. Lindner,
364 \newblock Appl. Phys. A {\bf 77}, 27 (2003).
365
366 \bibitem{werner96}
367 P.~Werner, R.~K{\"{o}}gler, W.~Skorupa, and D.~Eichler,
368 \newblock {TEM} investigation of {C}-si defects in carbon implanted silicon,
369 \newblock in {\em Ion Implantation Technology. Proceedings of the 11th
370   International Conference on}, pp. 675--678, 1996.
371
372 \bibitem{werner97}
373 P.~Werner, S.~Eichler, G.~Mariani, R.~K{\"{o}}gler, and W.~Skorupa,
374 \newblock Applied Physics Letters {\bf 70}, 252 (1997).
375
376 \bibitem{lindner99_2}
377 J.~K.~N. Lindner and B.~Stritzker,
378 \newblock Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam
379   Interactions with Materials and Atoms {\bf 148}, 528 (1999).
380
381 \bibitem{strane96}
382 J.~W. Strane {\em et~al.},
383 \newblock J. Appl. Phys. {\bf 79}, 637 (1996).
384
385 \bibitem{laveant2002}
386 P.~Lav\'eant, G.~Gerth, P.~Werner, and U.~G{\"{o}}sele,
387 \newblock Materials Science and Engineering B {\bf 89}, 241 (2002).
388
389 \bibitem{stillinger85}
390 F.~H. Stillinger and T.~A. Weber,
391 \newblock Phys. Rev. B {\bf 31}, 5262 (1985).
392
393 \bibitem{brenner90}
394 D.~W. Brenner,
395 \newblock Phys. Rev. B {\bf 42}, 9458 (1990).
396
397 \bibitem{tersoff_si3}
398 J.~Tersoff,
399 \newblock Phys. Rev. B {\bf 38}, 9902 (1988).
400
401 \bibitem{bazant96}
402 M.~Z. Bazant and E.~Kaxiras,
403 \newblock Phys. Rev. Lett. {\bf 77}, 4370 (1996).
404
405 \bibitem{bazant97}
406 M.~Z. Bazant, E.~Kaxiras, and J.~F. Justo,
407 \newblock Phys. Rev. B {\bf 56}, 8542 (1997).
408
409 \bibitem{justo98}
410 J.~F. Justo, M.~Z. Bazant, E.~Kaxiras, V.~V. Bulatov, and S.~Yip,
411 \newblock Phys. Rev. B {\bf 58}, 2539 (1998).
412
413 \bibitem{lucas10}
414 G.~Lucas, M.~Bertolus, and L.~Pizzagalli,
415 \newblock Journal of Physics: Condensed Matter {\bf 22}, 035802 (2010).
416
417 \bibitem{tersoff_m}
418 J.~Tersoff,
419 \newblock Phys. Rev. B {\bf 39}, 5566 (1989).
420
421 \bibitem{godet03}
422 J.~Godet, L.~Pizzagalli, S.~Brochard, and P.~Beauchamp,
423 \newblock Journal of Physics: Condensed Matter {\bf 15}, 6943 (2003).
424
425 \bibitem{holmstroem08}
426 E.~Holmstr{\"o}m, A.~Kuronen, and K.~Nordlund,
427 \newblock Phys. Rev. B {\bf 78}, 045202 (2008).
428
429 \bibitem{mattoni2002}
430 A.~Mattoni, F.~Bernardini, and L.~Colombo,
431 \newblock Phys. Rev. B {\bf 66}, 195214 (2002).
432
433 \bibitem{balamane92}
434 H.~Balamane, T.~Halicioglu, and W.~A. Tiller,
435 \newblock Phys. Rev. B {\bf 46}, 2250 (1992).
436
437 \bibitem{huang95}
438 H.~Huang, N.~M. Ghoniem, J.~K. Wong, and M.~Baskes,
439 \newblock Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering {\bf
440   3}, 615 (1995).
441
442 \bibitem{tang95}
443 M.~Tang and S.~Yip,
444 \newblock Phys. Rev. B {\bf 52}, 15150 (1995).
445
446 \bibitem{mattoni2007}
447 A.~{Mattoni}, M.~{Ippolito}, and L.~{Colombo},
448 \newblock Phys. Rev. B {\bf 76}, 224103 (2007).
449
450 \bibitem{devanathan98_2}
451 R.~Devanathan, T.~D. de~la Rubia, and W.~J. Weber,
452 \newblock Journal of Nuclear Materials {\bf 253}, 47 (1998).
453
454 \bibitem{nordlund97}
455 K.~Nordlund, N.~Runeberg, and D.~Sundholm,
456 \newblock Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam
457   Interactions with Materials and Atoms {\bf 132}, 45 (1997).
458
459 \bibitem{albe_sic_pot}
460 P.~Erhart and K.~Albe,
461 \newblock Phys. Rev. B {\bf 71}, 035211 (2005).
462
463 \bibitem{kresse96}
464 G.~Kresse and J.~Furthm{\"{u}}ller,
465 \newblock Computational Materials Science {\bf 6}, 15 (1996).
466
467 \bibitem{perdew86}
468 J.~P. Perdew and W.~Yue,
469 \newblock Phys. Rev. B {\bf 33}, 8800 (1986).
470
471 \bibitem{perdew92}
472 J.~P. Perdew {\em et~al.},
473 \newblock Phys. Rev. B {\bf 46}, 6671 (1992).
474
475 \bibitem{hamann79}
476 D.~R. Hamann, M.~Schl{\"u}ter, and C.~Chiang,
477 \newblock Phys. Rev. Lett. {\bf 43}, 1494 (1979).
478
479 \bibitem{vanderbilt90}
480 D.~Vanderbilt,
481 \newblock Phys. Rev. B {\bf 41}, 7892 (1990).
482
483 \bibitem{berendsen84}
484 H.~J.~C. Berendsen, J.~P.~M. Postma, W.~F. van Gunsteren, A.~DiNola, and J.~R.
485   Haak,
486 \newblock The Journal of Chemical Physics {\bf 81}, 3684 (1984).
487
488 \bibitem{verlet67}
489 L.~Verlet,
490 \newblock Phys. Rev. {\bf 159}, 98 (1967).
491
492 \bibitem{tersoff90}
493 J.~Tersoff,
494 \newblock Phys. Rev. Lett. {\bf 64}, 1757 (1990).
495
496 \bibitem{dal_pino93}
497 A.~{Dal Pino}, A.~M. Rappe, and J.~D. Joannopoulos,
498 \newblock Phys. Rev. B {\bf 47}, 12554 (1993).
499
500 \bibitem{capaz94}
501 R.~B. Capaz, A.~{Dal Pino}, and J.~D. Joannopoulos,
502 \newblock Phys. Rev. B {\bf 50}, 7439 (1994).
503
504 \bibitem{burnard93}
505 M.~J. Burnard and G.~G. DeLeo,
506 \newblock Phys. Rev. B {\bf 47}, 10217 (1993).
507
508 \bibitem{leary97}
509 P.~Leary, R.~Jones, S.~{\"O}berg, and V.~J.~B. Torres,
510 \newblock Phys. Rev. B {\bf 55}, 2188 (1997).
511
512 \bibitem{watkins76}
513 G.~D. Watkins and K.~L. Brower,
514 \newblock Phys. Rev. Lett. {\bf 36}, 1329 (1976).
515
516 \bibitem{song90}
517 G.~D. W. L.~W. Song,
518 \newblock Phys. Rev. B {\bf 42}, 5759 (1990).
519
520 \bibitem{kaukonen98}
521 M.~Kaukonen {\em et~al.},
522 \newblock Phys. Rev. B {\bf 57}, 9965 (1998).
523
524 \bibitem{tipping87}
525 A.~K. Tipping and R.~C. Newman,
526 \newblock Semiconductor Science and Technology {\bf 2}, 315 (1987).
527
528 \end{thebibliography}
529
530 \end{document}