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1 \documentclass[prb,twocolumn,superscriptaddress,a4paper,showkeys,showpacs]{revtex4}
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10
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20
21 % additional stuff
22 \usepackage{miller}
23
24 \begin{document}
25
26 \title{Combined {\em ab initio} and classical potential simulation study on the silicon carbide precipitation in silicon}
27 \author{F. Zirkelbach}
28 \author{B. Stritzker}
29 \affiliation{Experimentalphysik IV, Universit\"at Augsburg, 86135 Augsburg, Germany}
30 \author{K. Nordlund}
31 \affiliation{Department of Physics, University of Helsinki, 00014 Helsinki, Finland}
32 \author{J. K. N. Lindner}
33 \author{W. G. Schmidt}
34 \author{E. Rauls}
35 \affiliation{Department Physik, Universit\"at Paderborn, 33095 Paderborn, Germany}
36
37 \begin{abstract}
38 Atomistic simulations on the silicon carbide precipitation in bulk silicon employing both, classical potential and first-principles methods are presented.
39 %These aime to clarify a controversy concerning the precipitation mechanism as revealed from literature.
40 The calculations aim at a comprehensive, microscopic understanding of the precipitation mechanism in the context of controversial discussions in the literature.
41 %
42 For the quantum-mechanical treatment, basic processes assumed in the precipitation process are calculated in feasible systems of small size.
43 The migration mechanism of a carbon \hkl<1 0 0> interstitial and silicon \hkl<1 1 0> self-interstitial in otherwise defect-free silicon are investigated using density functional theory calculations.
44 The influence of a nearby vacancy, another carbon interstitial and a substitutional defect as well as a silicon self-interstitial has been investigated systematically.
45 Interactions of various combinations of defects have been characterized including a couple of selected migration pathways within these configurations.
46 Almost all of the investigated pairs of defects tend to agglomerate allowing for a reduction in strain.
47 The formation of structures involving strong carbon-carbon bonds turns out to be very unlikely.
48 In contrast, substitutional carbon occurs in all probability.
49 A long range capture radius has been observed for pairs of interstitial carbon as well as interstitial carbon and vacancies.
50 A rather small capture radius is predicted for substitutional carbon and silicon self-interstitials.
51 %
52 %We derive conclusions on the precipitation mechanism of silicon carbide in bulk silicon and discuss conformability to experimental findings.
53 Initial assumptions regarding the precipitation mechanism of silicon carbide in bulk silicon are established and conformability to experimental findings is discussed.
54 %
55 Furthermore, results of the accurate first-principles calculations on defects and carbon diffusion in silicon are compared to results of classical potential simulations revealing significant limitations of the latter method.
56 An approach to work around this problem is proposed.
57 Finally, results of the classical potential molecular dynamics simulations of large systems are examined, which reinforce previous assumptions and give further insight into basic processes involved in the silicon carbide transition.
58 %Finally, results of the classical potential molecular dynamics simulations of large systems are discussed, which allow to draw further conclusions on the precipitation mechanism of silicon carbide in silicon.
59 \end{abstract}
60
61 \keywords{point defects, migration, interstitials, first-principles calculations, classical potentials, molecular dynamics, silicon carbide, ion implantation}
62 \pacs{61.72.J-,61.72.-y,66.30.Lw,66.30.-h,31.15.A-,31.15.xv,34.20.Cf,61.72.uf}
63 \maketitle
64
65 %  --------------------------------------------------------------------------------
66 \section{Introduction}
67
68 The wide band gap semiconductor silicon carbide (SiC) is well known for its outstanding physical and chemical properties.
69 The high breakdown field, saturated electron drift velocity and thermal conductivity in conjunction with the unique thermal and mechanical stability as well as radiation hardness makes SiC a suitable material for high-temperature, high-frequency and high-power devices operational in harsh and radiation-hard environments\cite{edgar92,morkoc94,wesch96,capano97,park98}.
70 Different modifications of SiC exist, which solely differ in the one-dimensional stacking sequence of identical, close-packed SiC bilayers\cite{fischer90}.
71 Different polytypes exhibit different properties, in which the cubic phase of SiC (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.
72 Much progress has been made in 3C-SiC thin film growth 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.
73 However, the frequent occurrence of defects such as twins, dislocations and double position boundaries remains a challenging problem. 
74 Apart from these methods, 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}.
75 Utilized and enhanced, ion beam synthesis (IBS) has become a promising method to form thin SiC layers of high quality and exclusively of the 3C polytype embedded in and epitaxially aligned to the Si host featuring a sharp interface\cite{lindner99,lindner01,lindner02}.
76
77 However, the process of the formation of SiC precipitates in Si during C implantation is not yet fully understood.
78 \begin{figure}
79 \begin{center}
80 \subfigure[]{\label{fig:hrem:c-si}\includegraphics[width=0.48\columnwidth]{tem_c-si-db.eps}}
81 \subfigure[]{\label{fig:hrem:sic}\includegraphics[width=0.48\columnwidth]{tem_3c-sic.eps}}
82 \end{center}
83 \caption{High resolution transmission electron microscopy (HREM) micrographs\cite{lindner99_2} of agglomerates of C-Si dimers showing dark contrasts and otherwise undisturbed Si lattice fringes (a) and equally sized Moir\'e patterns indicating 3C-SiC precipitates (b).}
84 \label{fig:hrem}
85 \end{figure}
86 High resolution transmission electron microscopy (HREM) studies\cite{werner96,werner97,eichhorn99,lindner99_2,koegler03} 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, as can be seen in Fig.~\ref{fig:hrem:c-si}.
87 A topotactic transformation into a 3C-SiC precipitate occurs once a critical radius of 2 nm to 4 nm is reached, which is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of Moir\'e patterns (Fig.~\ref{fig:hrem:sic}) due to the lattice mismatch of \unit[20]{\%} of the 3C-SiC precipitate and c-Si.
88 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.
89 In contrast, investigations of strained Si$_{1-y}$C$_y$/Si heterostructures formed by IBS and solid-phase epitaxial regorowth\cite{strane94} as well as MBE\cite{guedj98}, which incidentally involve the formation of SiC nanocrystallites, suggest an initial coherent precipitation by agglomeration of substitutional instead of interstitial C.
90 Coherency is lost once the increasing strain energy of the stretched SiC structure surpasses the interfacial energy of the incoherent 3C-SiC precipitate and the Si substrate.
91 These two different mechanisms of precipitation might be attributed to the respective method of fabrication.
92 While in CVD and MBE surface effects need to be taken into account, SiC formation during IBS takes place in the bulk of the Si crystal.
93 However, in another IBS study Nejim et~al.\cite{nejim95} propose a topotactic transformation that is likewise based on the formation of substitutional C.
94 The formation of substitutional C, however, is accompanied by Si self-interstitial atoms that previously occupied the lattice sites and a concurrent reduction of volume due to the lower lattice constant of SiC compared to Si.
95 Both processes are believed to compensate one another.
96 %
97 Solving this controversy and understanding the effective underlying processes will enable significant technological progress in 3C-SiC thin film formation driving the superior polytype for potential applications in high-performance electronic device production.
98 It will likewise offer perspectives for processes that rely upon prevention of precipitation events, e.g. the fabrication of strained pseudomorphic Si$_{1-y}$C$_y$ heterostructures\cite{strane96,laveant2002}.
99
100 Atomistic simulations offer a powerful tool to study materials on a microscopic level providing detailed insight not accessible by experiment.
101 %
102 A lot of theoretical work has been done on intrinsic point defects in Si\cite{bar-yam84,bar-yam84_2,car84,batra87,bloechl93,tang97,leung99,colombo02,goedecker02,al-mushadani03,hobler05,sahli05,posselt08,ma10}, threshold displacement energies in Si\cite{mazzarolo01,holmstroem08} important in ion implantation, C defects and defect reactions in Si\cite{tersoff90,dal_pino93,capaz94,burnard93,leary97,capaz98,zhu98,mattoni2002,park02,jones04}, the SiC/Si interface\cite{chirita97,kitabatake93,cicero02,pizzagalli03} and defects in SiC\cite{bockstedte03,rauls03a,gao04,posselt06,gao07}.
103 However, none of the mentioned studies comprehenisvely investigates all the relevant defect structures and reactions concentrated on the specific problem of 3C-SiC formation in C implanted Si.
104 % but mattoni2002 actually did a lot. maybe this should be mentioned!^M
105 In fact, in a combined analytical potential molecular dynamics and {\em ab initio} study\cite{mattoni2002} the interaction of substitutional C with Si self-interstitials and C interstitials is evaluated.
106 However, investigations are, first of all, restricted to interaction chains along the \hkl[1 1 0] and \hkl[-1 1 0] direction, secondly lacking combinations of C interstitials and, finally, not considering migration barriers providing further information on the probability of defect agglomeration.
107  
108 In particular, molecular dynamics (MD) constitutes a suitable technique to investigate their dynamical and structural properties.
109 Modelling the processes mentioned above requires the simulation of a large number of atoms ($\approx 10^5-10^6$), which inevitably dictates the atomic interaction to be described by computationally efficient classical potentials.
110 These are, however, less accurate compared to quantum-mechanical methods and their applicability for the description of the physical problem has to be verified beforehand.
111 The most common empirical potentials for covalent systems are the Stillinger-Weber\cite{stillinger85}, Brenner\cite{brenner90}, Tersoff\cite{tersoff_si3} and environment-dependent interatomic potential\cite{bazant96,bazant97,justo98}.
112 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.
113 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, e.g. the one by Gao and Weber\cite{gao02} as well as the one by Erhart and Albe\cite{albe_sic_pot}.
114 All these potentials are short range potentials employing a cut-off function,  which drops the atomic interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
115 It was shown that the Tersoff potential properly describes binding energies of combinations of C defects in Si\cite{mattoni2002}.
116 However, investigations of brittleness in covalent materials\cite{mattoni2007} identified the short range character of these potentials to be responsible for overestimated forces necessary to snap the bond of two neighbored atoms.
117 In a previous study\cite{zirkelbach10}, we determined the influence on the migration barrier for C diffusion in Si.
118 Using the Erhart/Albe (EA) potential\cite{albe_sic_pot}, an overestimated barrier height compared to {\em ab initio} calculations and experiment is obtained.
119 A proper description of C diffusion, however, is crucial for the problem under study.
120
121 In this work, a combined {\em ab initio} and empirical potential simulation study on the initially mentioned SiC precipitation mechanism has been performed.
122 %
123 By first-principles atomistic simulations this work aims to shed light on basic processes involved in the precipitation mechanism of SiC in Si.
124 During implantation defects such as vacancies (V), substitutional C (C$_{\text{s}}$), interstitial C (C$_{\text{i}}$) and Si self-interstitials (Si$_{\text{i}}$) are created, which play a decisive role in the precipitation process.
125 A systematic investigation of density functional theory (DFT) calculations of the structure, energetics and mobility of carbon defects in silicon as well as the influence of other point defects in the surrounding is presented.
126 %
127 Furthermore, highly accurate quantum-mechanical results have been used to identify shortcomings of the classical potentials, which are then taken into account in these type of simulations.
128
129 %  --------------------------------------------------------------------------------
130 \section{Methodology}
131 \label{meth}
132 % ----- DFT ------
133 The first-principles DFT calculations have been performed with the plane-wave based Vienna {\em ab initio} Simulation package (VASP)\cite{kresse96}.
134 The Kohn-Sham equations were solved using the generalized-gradient exchange-correlation functional approximation proposed by Perdew and Wang\cite{perdew86,perdew92}.
135 The electron-ion interaction is described by norm-conserving ultra-soft pseudopotentials\cite{hamann79} as implemented in VASP\cite{vanderbilt90}.
136 Throughout this work, an energy cut-off of \unit[300]{eV} was used to expand the wave functions into the plane-wave basis.
137 %Sampling of the Brillouin zone was restricted to the $\Gamma$-point.
138 To reduce the computational effort sampling of the Brillouin zone was restricted to the $\Gamma$-point, which has been shown to yield reliable results\cite{dal_pino93}.
139 The defect structures and the migration paths were modelled in cubic supercells with a side length of \unit[1.6]{nm} containing $216$ Si atoms.
140 Formation energies and structures are reasonably converged with respect to the system size.
141 The ions and cell shape were allowed to change in order to realize a constant pressure simulation.
142 The observed changes in volume were less than \unit[0.2]{\%} of the volume indicating a rather low dependence of the results on the ensemble choice.
143 Ionic relaxation was realized by the conjugate gradient algorithm.
144 Spin polarization has been fully accounted for.
145
146 % ------ Albe potential ---------
147 For the classical potential calculations, defect structures were modeled in a supercell of nine Si lattice constants in each direction consisting of 5832 Si atoms.
148 Reproducing the SiC precipitation was attempted by the successive insertion of 6000 C atoms (the number necessary to form a 3C-SiC precipitate with a radius of $\approx 3.1$ nm) into the Si host, which has a size of 31 Si unit cells in each direction consisting of 238328 Si atoms.
149 At constant temperature 10 atoms were inserted at a time.
150 Three different regions within the total simulation volume were considered for a statistically distributed insertion of the C atoms: $V_1$ corresponding to the total simulation volume, $V_2$ corresponding to the size of the precipitate and $V_3$, which holds the necessary amount of Si atoms of the precipitate.
151 After C insertion the simulation has been continued for \unit[100]{ps} and is cooled down to \unit[20]{$^{\circ}$C} afterwards.
152 A Tersoff-like bond order potential by Erhart and Albe (EA)\cite{albe_sic_pot} has been utilized, which accounts for nearest neighbor interactions realized by a cut-off function dropping the interaction to zero in between the first and second nearest neighbor distance.
153 The potential was used as is, i.e. without any repulsive potential extension at short interatomic distances.
154 Constant pressure simulations are realized by the Berendsen barostat\cite{berendsen84} using a time constant of \unit[100]{fs} and a bulk modulus of \unit[100]{GPa} for Si.
155 The temperature was kept constant by the Berendsen thermostat\cite{berendsen84} with a time constant of \unit[100]{fs}.
156 Integration of the equations of motion was realized by the velocity Verlet algorithm\cite{verlet67} and a fixed time step of \unit[1]{fs}.
157 For structural relaxation of defect structures the same algorithm was used with the temperature set to 0 K.
158
159 The formation energy $E-N_{\text{Si}}\mu_{\text{Si}}-N_{\text{C}}\mu_{\text{C}}$ of a defect configuration is defined by choosing SiC as a particle reservoir for the C impurity, i.e. the chemical potentials are determined by the cohesive energies of a perfect Si and SiC supercell after ionic relaxation.
160 %
161 This corresponds to the definition utilized in another study on C defects in Si\cite{dal_pino93} that we compare our results to.
162 %
163 Migration and recombination pathways have been investigated utilizing the constraint conjugate gradient relaxation technique\cite{kaukonen98}.
164 %
165 While not guaranteed to find the true minimum energy path, the method turns out to identify reasonable pathways for the investigated structures.
166 %
167 Time constants of \unit[1]{fs}, which corresponds to direct velocity scaling, and \unit[100]{fs}, which results in weaker coupling to the heat bath allowing the diffusing atoms to take different pathways, were used for the Berendsen thermostat for structural relaxation within the migration calculations utilizing classical potentials.
168 %
169 The binding energy of a defect pair is given by the difference of the formation energy of the complex and the sum of the two separated defect configurations.
170 Accordingly, energetically favorable configurations result in binding energies below zero while unfavorable configurations show positive values for the binding energy.
171 The interaction strength, i.e. the absolute value of the binding energy, approaches zero for increasingly non-interacting isolated defects.
172
173 \section{Comparison of classical potential and first-principles methods}
174 \label{sec:comp}
175
176 In a first step, quantum-mechanical calculations of defects in Si and respective diffusion processes are compared to classical potential simulations as well as to results from literature.
177 Shortcomings of the analytical potential approach are revealed and its applicability is discussed.
178
179 \subsection{Carbon and silicon defect configurations}
180 \label{subsection:sep_def}
181
182 \begin{figure}
183 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
184 \underline{Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB}\\
185 \includegraphics[width=\columnwidth]{si110.eps}
186 \end{minipage}
187 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
188 \underline{Si$_{\text{i}}$ hexagonal}\\
189 \includegraphics[width=\columnwidth]{sihex.eps}
190 \end{minipage}
191 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
192 \underline{Si$_{\text{i}}$ tetrahedral}\\
193 \includegraphics[width=\columnwidth]{sitet.eps}
194 \end{minipage}\\
195 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
196 \underline{Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB}\\
197 \includegraphics[width=\columnwidth]{si100.eps}
198 \end{minipage}
199 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
200 \underline{Vacancy}\\
201 \includegraphics[width=\columnwidth]{sivac.eps}
202 \end{minipage}
203 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
204 \underline{C$_{\text{s}}$}\\
205 \includegraphics[width=\columnwidth]{csub.eps}
206 \end{minipage}\\
207 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
208 \underline{C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB}\\
209 \includegraphics[width=\columnwidth]{c100.eps}
210 \end{minipage}
211 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
212 \underline{C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB}\\
213 \includegraphics[width=\columnwidth]{c110.eps}
214 \end{minipage}
215 \begin{minipage}[t]{0.32\columnwidth}
216 \underline{C$_{\text{i}}$ bond-centered}\\
217 \includegraphics[width=\columnwidth]{cbc.eps}
218 \end{minipage}
219 \caption{Configurations of Si and C point defects in Si. Si and C atoms are illustrated by yellow and gray spheres respectively. Bonds are drawn whenever considered appropriate to ease identifying defect structures for the reader. Dumbbell configurations are abbreviated by DB.}
220 \label{fig:sep_def}
221 \end{figure}
222 Table~\ref{table:sep_eof} summarizes the formation energies of relevant defect structures for the EA and DFT calculations.
223 The respective structures are shown in Fig.~\ref{fig:sep_def}.
224 %
225 \begin{table*}
226 \begin{ruledtabular}
227 \begin{tabular}{l c c c c c c c c c}
228  & Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB & Si$_{\text{i}}$ H & Si$_{\text{i}}$ T & Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB & V & C$_{\text{s}}$ & C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB & C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB & C$_{\text{i}}$ BC \\
229 \hline
230  \multicolumn{10}{l}{Present study} \\
231  VASP & 3.39 & 3.42 & 3.77 & 4.41 & 3.63 & 1.95 & 3.72 & 4.16 & 4.66 \\
232  Erhart/Albe & 4.39 & 4.48$^*$ & 3.40 & 5.42 & 3.13 & 0.75 & 3.88 & 5.18 & 5.59$^*$ \\
233  \multicolumn{10}{l}{Other {\em ab initio} studies} \\
234  Ref.\cite{al-mushadani03} & 3.40 & 3.45 & - & - & 3.53 & - & - & - & - \\
235  Ref.\cite{leung99} & 3.31 & 3.31 & 3.43 & - & - & - & - & - & - \\
236  Ref.\cite{dal_pino93,capaz94} & - & - & - & - & - & 1.89\cite{dal_pino93} & x & - & x+2.1\cite{capaz94}
237 \end{tabular}
238 \end{ruledtabular}
239 \caption{Formation energies of C and Si point defects in c-Si determined by classical potential and {\em ab initio} methods. The formation energies are given in electron volts. T denotes the tetrahedral and BC the bond-centered configuration. Subscript i and s indicates the interstitial and substitutional configuration. 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.}
240 \label{table:sep_eof}
241 \end{table*}
242
243 Although discrepancies exist, classical potential and first-principles methods depict the correct order of the formation energies with regard to C defects in Si.
244 Substitutional C (C$_{\text{s}}$) constitutes the energetically most favorable defect configuration.
245 Since the C atom occupies an already vacant Si lattice site, C$_{\text{s}}$ is not an interstitial defect.
246 The quantum-mechanical result agrees well with the result of another {\em ab initio} study\cite{dal_pino93}.
247 Clearly, the empirical potential underestimates the C$_{\text{s}}$ formation energy.
248 The C interstitial defect with the lowest energy of formation has been found to be the C-Si \hkl<1 0 0> interstitial dumbbell (C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB), which, thus, constitutes the ground state of an additional C impurity in otherwise perfect c-Si.
249 This finding is in agreement with several theoretical\cite{burnard93,leary97,dal_pino93,capaz94} and experimental\cite{watkins76,song90} investigations.
250 However, to our best knowledge, no energy of formation based on first-principles calculations has yet been explicitly stated in literature for the ground-state configuration.
251 %
252 Astonishingly EA and DFT predict almost equal formation energies.
253 There are, however, geometric differences with regard to the DB position within the tetrahedron spanned by the four neighbored Si atoms, as already reported in a previous study\cite{zirkelbach10}.
254 Since the energetic description is considered more important than the structural description, minor discrepancies of the latter are assumed non-problematic.
255 The second most favorable configuration is the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB followed by the C$_{\text{i}}$ bond-centered (BC) configuration.
256 For both configurations EA overestimates the energy of formation by approximately \unit[1]{eV} compared to DFT.
257 Thus, nearly the same difference in energy has been observed for these configurations in both methods.
258 However, we have found the BC configuration to constitute a saddle point within the EA description relaxing into the \hkl<1 1 0> configuration.
259 Due to the high formation energy of the BC defect resulting in a low probability of occurrence of this defect, the wrong description is not posing a serious limitation of the EA potential.
260 A more detailed discussion of C defects in Si modeled by EA and DFT including further defect configurations can be found in our recently published article\cite{zirkelbach10}.
261
262 Regarding intrinsic defects in Si, classical potential and {\em {\em ab initio}} methods predict energies of formation that are within the same order of magnitude.
263 %
264 However discrepancies exist.
265 Quantum-mechanical results reveal the Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB to compose the energetically most favorable configuration closely followed by the hexagonal and tetrahedral configuration, which is the consensus view for Si$_{\textrm{i}}$ and compares well to results from literature\cite{leung99,al-mushadani03}.
266 The EA potential does not reproduce the correct ground state.
267 Instead the tetrahedral defect configuration is favored.
268 This limitation is assumed to arise due to the cut-off.
269 In the tetrahedral configuration the second neighbors are only slightly more distant than the first neighbors, which creates the particular problem.
270 Indeed, an increase of the cut-off results in increased values of the formation energies\cite{albe_sic_pot}, which is most significant for the tetrahedral configuration.
271 The same issue has already been discussed by Tersoff\cite{tersoff90} with regard to the description of the tetrahedral C defect using his potential.
272 % h unstable
273 % todo - really do this?!?!
274 The hexagonal configuration is not stable within the classical potential calculations opposed to results of the authors of the potential\cite{albe_sic_pot}.
275 In the first two pico seconds, while kinetic energy is decoupled from the system, the \si{} seems to condense at the hexagonal site.
276 The formation energy of \unit[4.48]{eV} is determined by this low kinetic energy configuration shortly before the relaxation process starts.
277 The \si{} atom then begins to slowly move towards an energetically more favorable position very close to the tetrahedral one but slightly displaced along the three coordinate axes.
278 The formation energy of \unit[3.96]{eV} for this type of interstitial is equal to the result for the hexagonal one in the original work\cite{albe_sic_pot}.
279 Obviously, the authors did not carefully check the relaxed results assuming a hexagonal configuration.
280 As has been shown, variations of this defect exist, in which the displacement is only along two \hkl<1 0 0> axes ($E_\text{f}=3.8\,\text{eV}$) or along a single \hkl<1 0 0> axes ($E_\text{f}=3.6\,\text{eV}$) successively approximating the tetdrahedral configuration and formation energy\cite{zirkelbach09}.
281 The existence of these local minima located near the tetrahedral configuration seems to be an artifact of the analytical potential without physical authenticity revealing fundamental problems of analytical potential models for describing defect structures.
282 However, further investigations revealed the energy barrier of the transition from the artificial into the tetrahedral configuration to be smaller than \unit[0.2]{eV}.
283 Hence, these artifacts have a negligible influence in finite temperature simulations.
284 % nevertheless ...
285 While not completely rendering impossible further, more challenging empirical potential studies on large systems, these artifacts have to be taken into account in the following investigations of defect combinations.
286
287 % spin polarization
288 Instead of giving an explicit value of the energy of formation, Capaz et al.\cite{capaz94}, investigating migration pathways of the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, find this defect to be \unit[2.1]{eV} lower in energy than the BC configuration.
289 The BC configuration is claimed to constitute the saddle point within the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB migration path residing in the \hkl(1 1 0) plane and, thus, interpreted as the barrier of migration for the respective path.
290 However, the present study indicates a local minimum state for the BC defect if spin polarized calculations are performed resulting in a net magnetization of two electrons localized in a torus around the C atom.
291 Another DFT calculation without fully accounting for the electron spin results in the smearing of a single electron over two non-degenerate Kohn-Sham states and an increase of the total energy by \unit[0.3]{eV} for the BC configuration.
292 %
293 A more detailed description can be found in a previous study\cite{zirkelbach10}.
294 Next to the C$_{\text{i}}$ BC configuration the vacancy and Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB have to be treated by taking into account the spin of the electrons.
295 For the vacancy the net spin up electron density is localized in caps at the four surrounding Si atoms directed towards the vacant site.
296 In the  Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB configuration the net spin up density is localized in two caps at each of the two DB atoms perpendicularly aligned to the bonds to the other two Si atoms respectively.
297 No other configuration, within the ones that are mentioned, is affected.
298
299 \subsection{Mobility of carbon defects}
300 \label{subsection:cmob}
301
302 To accurately model the SiC precipitation, which involves the agglomeration of C, a proper description of the migration process of the C impurity is required.
303 As shown in a previous study\cite{zirkelbach10}, quantum-mechanical results properly describe the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB diffusion resulting in a migration barrier height of \unit[0.90]{eV}, excellently matching experimental values of \unit[0.70-0.87]{eV}\cite{lindner06,tipping87,song90} and, for this reason, reinforcing the respective migration path as already proposed by Capaz et~al.\cite{capaz94}.
304 During transition a C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB migrates towards a  C$_{\text{i}}$ \hkl[0 -1 0] DB located at the neighbored lattice site in \hkl[1 1 -1] direction.
305 However, it turned out that the description fails if the EA potential is used, which overestimates the migration barrier (\unit[2.2]{eV}) by a factor of 2.4.
306 In addition a different diffusion path is found to exhibit the lowest migration barrier.
307 A C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB turns into the \hkl[0 0 1] configuration at the neighbored lattice site.
308 The transition involves the C$_{\text{i}}$ BC configuration, which, however, was found to be unstable relaxing into the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB configuration.
309 If the migration is considered to occur within a single step, the kinetic energy of \unit[2.2]{eV} is sufficient to turn the \hkl<1 0 0> DB into the BC and back into a \hkl<1 0 0> DB configuration.
310 If, on the other hand, a two step process is assumed, the BC configuration will most probably relax into the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB configuration resulting in different relative energies of the intermediate state and the saddle point.
311 For the latter case a migration path, which involves a C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB configuration, is proposed and displayed in Fig.~\ref{fig:mig}.
312 \begin{figure}
313 \begin{center}
314 \includegraphics[width=\columnwidth]{110mig.ps}
315 \end{center}
316 \caption{Migration barrier and structures of the \hkl[0 0 -1] DB (left) to the \hkl[0 -1 0] DB (right) transition involving the \hkl[1 1 0] DB (center) configuration. Migration simulations were performed utilizing time constants of \unit[1]{fs} (solid line) and \unit[100]{fs} (dashed line) for the Berendsen thermostat.}
317 \label{fig:mig}
318 \end{figure}
319 The activation energy of approximately \unit[2.24]{eV} is needed to turn the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB into the C$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB located at the neighbored lattice site in \hkl[1 1 -1] direction.
320 Another barrier of \unit[0.90]{eV} exists for the rotation into the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 -1 0] DB configuration for the path obtained with a time constant of \unit[100]{fs} for the Berendsen thermostat.
321 Roughly the same amount would be necessary to excite the C$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB to the BC configuration (\unit[0.40]{eV}) and a successive migration into the \hkl[0 0 1] DB configuration (\unit[0.50]{eV}) as displayed in our previous study\cite{zirkelbach10}.
322 The former diffusion process, however, would more nicely agree with the {\em ab initio} path, since the migration is accompanied by a rotation of the DB orientation.
323 By considering a two step process and assuming equal preexponential factors for both diffusion steps, the probability of the total diffusion event is given by $\exp\left((\unit[2.24]{eV}+\unit[0.90]{eV})/{k_{\text{B}}T}\right)$, which corresponds to a single diffusion barrier that is 3.5 times higher than the barrier obtained by {\em ab initio} calculations.
324
325 Accordingly, the effective barrier of migration of C$_{\text{i}}$ is overestimated by a factor of 2.4 to 3.5 compared to the highly accurate quantum-mechanical methods.
326 This constitutes a serious limitation that has to be taken into account for modeling the C-Si system using the otherwise quite promising EA potential.
327
328 \section{Quantum-mechanical investigations of defect combinations and related diffusion processes}
329 \label{sec:qm}
330
331 The implantation of highly energetic C atoms results in a multiplicity of possible defect configurations.
332 Next to individual Si$_{\text{i}}$, C$_{\text{i}}$, V and C$_{\text{s}}$ defects, combinations of these defects and their interaction are considered important for the problem under study.
333 In the following, pairs of the ground state and, thus, most probable defect configurations that are believed to be fundamental in the Si to SiC conversion and related diffusion processes are investigated.
334 These systems are small enough to allow for a first-principles treatment.
335
336 \subsection{Pairs of C$_{\text{i}}$}
337
338 C$_{\text{i}}$ pairs of the \hkl<1 0 0> type have been investigated in the first part.
339 Fig.~\ref{fig:combos_ci} schematically displays the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB structure and various positions for the second defect (1-5) that have been used for investigating defect pairs.
340 Table~\ref{table:dc_c-c} summarizes resulting binding energies for the combination with a second C-Si \hkl<1 0 0> DB obtained for different orientations at positions 1 to 5.
341 \begin{figure}
342 \subfigure[]{\label{fig:combos_ci}\includegraphics[width=0.45\columnwidth]{combos_ci.eps}}
343 \hspace{0.1cm}
344 \subfigure[]{\label{fig:combos_si}\includegraphics[width=0.45\columnwidth]{combos.eps}}
345 \caption{Position of the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB (I) (Fig.~\ref{fig:combos_ci}) and of the lattice site chosen for the initial Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB (Si$_{\text{i}}$) (Fig.~\ref{fig:combos_si}). Lattice sites for the second defect used for investigating defect pairs are numbered from 1 to 5.} 
346 \label{fig:combos}
347 \end{figure}
348 \begin{table}
349 \begin{ruledtabular}
350 \begin{tabular}{l c c c c c c }
351  & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & R \\
352 \hline
353  \hkl[0 0 -1] & -0.08 & -1.15 & -0.08 & 0.04 & -1.66 & -0.19\\
354  \hkl[0 0 1] & 0.34 & 0.004 & -2.05 & 0.26 & -1.53 & -0.19\\
355  \hkl[0 -1 0] & -2.39 & -0.17 & -0.10 & -0.27 & -1.88 & -0.05\\
356  \hkl[0 1 0] & -2.25 & -1.90 & -2.25 & -0.12 & -1.38 & -0.06\\
357  \hkl[-1 0 0] & -2.39 & -0.36 & -2.25 & -0.12 & -1.88 & -0.05\\
358  \hkl[1 0 0] & -2.25 & -2.16 & -0.10 & -0.27 & -1.38 & -0.06\\
359 \end{tabular}
360 \end{ruledtabular}
361 \caption{Binding energies in eV of C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0>-type defect pairs. Equivalent configurations exhibit equal energies. Column 1 lists the orientation of the second defect, which is combined with the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB. The position index of the second defect is given in the first row according to Fig.~\ref{fig:combos}. R corresponds to the position located at $\frac{a_{\text{Si}}}{2}\hkl[3 2 3]$ relative to the initial defect position, which is the maximum realizable defect separation distance ($\approx \unit[1.3]{nm}$) due to periodic boundary conditions.}
362 \label{table:dc_c-c}
363 \end{table}
364 Most of the obtained configurations result in binding energies well below zero indicating a preferable agglomeration of this type of defects.
365 For increasing distances of the defect pair the binding energy approaches to zero (R in Table~\ref{table:dc_c-c}) as it is expected for non-interacting isolated defects.
366 Energetically favorable and unfavorable configurations can be explained by stress compensation and increase respectively based on the resulting net strain of the respective configuration of the defect combination.
367 Antiparallel orientations of the second defect, i.e. \hkl[0 0 1] for positions located below the \hkl(0 0 1) plane with respect to the initial one (positions 1, 2 and 4) form the energetically most unfavorable configurations.
368 In contrast, the parallel and particularly the twisted orientations constitute energetically favorable configurations, in which a vast reduction of strain is enabled by combination of these defects.
369
370 Mattoni et al.\cite{mattoni2002} predict the ground state configuration for a \hkl[1 0 0] or equivalently a \hkl[0 1 0] defect created at position 1 with both defects basically maintaining the as-isolated DB structure, resulting in a binding energy of \unit[-2.1]{eV}.
371 In this work we observed a further relaxation of this defect structure.
372 The C atom of the second and the Si atom of the initial DB move towards each other forming a bond, which results in a somewhat lower binding energy of \unit[-2.25]{eV}.
373 Apart from that, we found a more favorable configuration for the combination with a \hkl[0 -1 0] and \hkl[-1 0 0] DB respectively, which is assumed to constitute the actual ground state configuration of two C$_{\text{i}}$ DBs in Si.
374 The atomic arrangement is shown in the bottom right of Fig.~\ref{fig:036-239}.
375 The two C$_{\text{i}}$ atoms form a strong C-C bond, which is responsible for the large gain in energy resulting in a binding energy of \unit[-2.39]{eV}.
376
377 Investigating migration barriers allows to predict the probability of formation of defect complexes by thermally activated diffusion processes.
378 % ground state configuration, C cluster
379 Based on the lowest energy migration path of a single C$_{\text{i}}$ DB the configuration, in which the second C$_{\text{i}}$ DB is oriented along \hkl[0 1 0] at position 2 is assumed to constitute an ideal starting point for a transition into the ground state.
380 In addition, the starting configuration exhibits a low binding energy (\unit[-1.90]{eV}) and is, thus, very likely to occur.
381 However, a barrier height of more than \unit[4]{eV} was detected resulting in a low probability for the transition.
382 The high activation energy is attributed to the stability of such a low energy configuration, in which the C atom of the second DB is located close to the initial DB.
383 Low barriers have only been identified for transitions starting from energetically less favorable configurations, e.g. the configuration of a \hkl[-1 0 0] DB located at position 2 (\unit[-0.36]{eV}).
384 Starting from this configuration, an activation energy of only \unit[1.2]{eV} is necessary for the transition into the ground state configuration.
385 The corresponding migration energies and atomic configurations are displayed in Fig.~\ref{fig:036-239}.
386 \begin{figure}
387 \includegraphics[width=\columnwidth]{036-239.ps}
388 \caption{Migration barrier and structures of the transition of a C$_{\text{i}}$ \hkl[-1 0 0] DB at position 2 (left) into a C$_{\text{i}}$ \hkl[0 -1 0] DB at position 1 (right). An activation energy of \unit[1.2]{eV} is observed.}
389 \label{fig:036-239}
390 \end{figure}
391 %  strange mig from -190 -> -2.39 (barrier > 4 eV)
392 % C-C migration -> idea:
393 %  mig from low energy confs has extremely high barrier!
394 %  low barrier only from energetically less/unfavorable confs (?)! <- prove!
395 %  => low probability of C-C clustering ?!?
396 %
397 % should possibly be transfered to discussion section
398 Since thermally activated C clustering is, thus, only possible by traversing energetically unfavored configurations, extensive C clustering is not expected.
399 Furthermore, the migration barrier of \unit[1.2]{eV} is still higher than the activation energy of \unit[0.9]{eV} observed for a single C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB in c-Si.
400 The migration barrier of a C$_{\text{i}}$ DB in a complex system is assumed to approximate the barrier of a DB in a separated system with increasing defect separation.
401 Accordingly, lower migration barriers are expected for pathways resulting in larger separations of the C$_{\text{i}}$ DBs.
402 % acknowledged by 188-225 (reverse order) calc
403 However, if the increase of separation is accompanied by an increase in binding energy, this difference is needed in addition to the activation energy for the respective migration process.
404 Configurations, which exhibit both, a low binding energy as well as afferent transitions with low activation energies are, thus, most probable C$_{\text{i}}$ complex structures.
405 On the other hand, if elevated temperatures enable migrations with huge activation energies, comparably small differences in configurational energy can be neglected resulting in an almost equal occupation of such configurations.
406 In both cases the configuration yielding a binding energy of \unit[-2.25]{eV} is promising.
407 First of all, it constitutes the second most energetically favorable structure.
408 Secondly, a migration path with a barrier as low as \unit[0.47]{eV} exists starting from a configuration of largely separated defects exhibiting a low binding energy (\unit[-1.88]{eV}).
409 The migration barrier and corresponding structures are shown in Fig.~\ref{fig:188-225}.
410 \begin{figure}
411 \includegraphics[width=\columnwidth]{188-225.ps}
412 \caption{Migration barrier and structures of the transition of a C$_{\text{i}}$ \hkl[0 -1 0] DB at position 5 (left) into a C$_{\text{i}}$ \hkl[1 0 0] DB at position 1 (right). An activation energy of \unit[0.47]{eV} is observed.}
413 \label{fig:188-225}
414 \end{figure}
415 Finally, this type of defect pair is represented four times (two times more often than the ground state configuration) within the systematically investigated configuration space.
416 The latter is considered very important at high temperatures, accompanied by an increase in the entropic contribution to structure formation.
417 As a result, C defect agglomeration indeed is expected, but only a low probability is assumed for C-C clustering by thermally activated processes with regard to the considered process time in IBS.
418 % alternatively: ... considered period of time (of the IBS process).
419 %
420 % ?!?
421 % look for precapture mechanism (local minimum in energy curve)
422 % also: plot energy all confs with respect to C-C distance
423 %       maybe a pathway exists traversing low energy confs ?!?
424
425 % point out that configurations along 110 were extended up to the 6th NN in that direction
426 The binding energies of the energetically most favorable configurations with the second DB located along the \hkl[1 1 0] direction and resulting C-C distances of the relaxed structures are summarized in Table~\ref{table:dc_110}.
427 \begin{table}
428 \begin{ruledtabular}
429 \begin{tabular}{l c c c c c c }
430  & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 \\
431 \hline
432  $E_{\text{b}}$ [eV] & -2.39 & -1.88 & -0.59 & -0.31 & -0.24 & -0.21 \\
433 C-C distance [nm] & 0.14 & 0.46 & 0.65 & 0.86 & 1.05 & 1.08 
434 \end{tabular}
435 \end{ruledtabular}
436 \caption{Binding energies $E_{\text{b}}$ and C-C distance of energetically most favorable C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0>-type defect pairs separated along the \hkl[1 1 0] bond chain.}
437 \label{table:dc_110}
438 \end{table}
439 The binding energy of these configurations with respect to the C-C distance is plotted in Fig.~\ref{fig:dc_110}.
440 \begin{figure}
441 \includegraphics[width=\columnwidth]{db_along_110_cc_n.ps}
442 \caption{Minimum binding energy of dumbbell combinations separated along \hkl[1 1 0] with respect to the C-C distance. The blue line is a guide for the eye and the green curve corresponds to the most suitable fit function consisting of all but the first data point.}
443 \label{fig:dc_110}
444 \end{figure}
445 The interaction is found to be proportional to the reciprocal cube of the C-C distance for extended separations of the C$_{\text{i}}$ and saturates for the smallest possible separation, i.e. the ground state configuration.
446 Not considering the previously mentioned elevated barriers for migration an attractive interaction between the C$_{\text{i}}$ defects indeed is detected with a capture radius that clearly exceeds \unit[1]{nm}.
447 The interpolated graph suggests the disappearance of attractive interaction forces, which are proportional to the slope of the graph, in between the two lowest separation distances of the defects.
448 This finding, in turn, supports the previously established assumption of C agglomeration and absence of C clustering.
449
450 \begin{table}
451 \begin{ruledtabular}
452 \begin{tabular}{l c c c c c c }
453  & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & R \\
454 \hline
455 C$_{\text{s}}$ & 0.26$^a$/-1.28$^b$ & -0.51 & -0.93$^A$/-0.95$^B$ & -0.15 & 0.49 & -0.05\\
456 V & -5.39 ($\rightarrow$ C$_{\text{S}}$) & -0.59 & -3.14 & -0.54 & -0.50 & -0.31
457 \end{tabular}
458 \end{ruledtabular}
459 \caption{Binding energies of combinations of the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] defect with a substitutional C or vacancy located at positions 1 to 5 according to Fig.~\ref{fig:combos_ci}. R corresponds to the position located at $\frac{a_{\text{Si}}}{2}\hkl[3 2 3]$ relative to the initial defect position, which is the maximum realizable distance due to periodic boundary conditions.}
460 \label{table:dc_c-sv}
461 \end{table}
462
463 \subsection{C$_{\text{i}}$ next to C$_{\text{s}}$}
464
465 The first row of Table~\ref{table:dc_c-sv} lists the binding energies of C$_{\text{s}}$ next to the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB.
466 For C$_{\text{s}}$ located at position 1 and 3 the configurations a and A correspond to the naive relaxation of the structure by substituting the Si atom by a C atom in the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB structure at positions 1 and 3 respectively.
467 However, small displacements of the involved atoms near the defect result in different stable structures labeled b and B respectively.
468 Fig.~\ref{fig:093-095} and \ref{fig:026-128} show structures A, B and a, b together with the barrier of migration for the A to B and a to b transition respectively. 
469
470 % A B
471 %./visualize_contcar -w 640 -h 480 -d results/c_00-1_c3_csub_B -nll -0.20 -0.4 -0.1 -fur 0.9 0.6 0.9 -c 0.5 -1.5 0.375 -L 0.5 0 0.3 -r 0.6 -A -1 2.465
472 \begin{figure}
473 \includegraphics[width=\columnwidth]{093-095.ps}
474 \caption{Migration barrier and structures of the transition of the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB and C$_{\text{s}}$ at position 3 (left) into a configuration of a twofold coordinated Si$_{\text{i}}$ located in between two C$_{\text{s}}$ atoms occupying the lattice sites of the initial DB and position 3 (right). An activation energy of \unit[0.44]{eV} is observed.}
475 \label{fig:093-095}
476 \end{figure}
477 Configuration A consists of a C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB with threefold coordinated Si and C DB atoms slightly disturbed by the C$_{\text{s}}$ at position 3, facing the Si DB atom as a neighbor.
478 By a single bond switch, i.e. the breaking of a Si-Si in favor of a Si-C bond, configuration B is obtained, which shows a twofold coordinated Si atom located in between two substitutional C atoms residing on regular Si lattice sites.
479 This configuration has been identified and described by spectroscopic experimental techniques\cite{song90_2} as well as theoretical studies\cite{leary97,capaz98}.
480 Configuration B is found to constitute the energetically slightly more favorable configuration.
481 However, the gain in energy due to the significantly lower energy of a Si-C compared to a Si-Si bond turns out to be smaller than expected due to a large compensation by introduced strain as a result of the Si interstitial structure.
482 Present results show a difference in energy of states A and B, which exactly matches the experimental value of \unit[0.02]{eV}\cite{song90_2} reinforcing qualitatively correct results of previous theoretical studies on these structures.
483 % mattoni: A favored by 0.4 eV - NO, it is indeed B (reinforce Song and Capaz)!
484 %
485 % AB transition
486 The migration barrier was identified to be \unit[0.44]{eV}, almost three times higher than the experimental value of \unit[0.16]{eV}\cite{song90_2} estimated for the neutral charge state transition in p- and n-type Si.
487 Keeping in mind the formidable agreement of the energy difference with experiment, the overestimated activation energy is quite unexpected.
488 Obviously, either the CRT algorithm fails to seize the actual saddle point structure or the influence of dopants has exceptional effect in the experimentally covered diffusion process being responsible for the low migration barrier.
489 % not satisfactory!
490
491 % a b
492 \begin{figure}
493 \includegraphics[width=\columnwidth]{026-128.ps}
494 \caption{Migration barrier and structures of the transition of the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB and C$_{\text{s}}$ at position 1 (left) into a C-C \hkl[1 0 0] DB occupying the lattice site at position 1 (right). An activation energy of \unit[0.1]{eV} is observed.}
495 \label{fig:026-128}
496 \end{figure}
497 Configuration a is similar to configuration A, except that the C$_{\text{s}}$ atom at position 1 is facing the C DB atom as a neighbor resulting in the formation of a strong C-C bond and a much more noticeable perturbation of the DB structure.
498 Nevertheless, the C and Si DB atoms remain threefold coordinated.
499 Although the C-C bond exhibiting a distance of \unit[0.15]{nm} close to the distance expected in diamond or graphite should lead to a huge gain in energy, a repulsive interaction with a binding energy of \unit[0.26]{eV} is observed due to compressive strain of the Si DB atom and its top neighbors (\unit[0.230]{nm}/\unit[0.236]{nm}) along with additional tensile strain of the C$_{\text{s}}$ and its three neighboring Si atoms (\unit[0.198-0.209]{nm}/\unit[0.189]{nm}).
500 Again a single bond switch, i.e. the breaking of the bond of the Si atom bound to the fourfold coordinated C$_{\text{s}}$ atom and the formation of a double bond between the two C atoms, results in configuration b.
501 The two C atoms form a \hkl[1 0 0] DB sharing the initial C$_{\text{s}}$ lattice site while the initial Si DB atom occupies its previously regular lattice site.
502 The transition is accompanied by a large gain in energy as can be seen in Fig.~\ref{fig:026-128}, making it the ground state configuration of a C$_{\text{s}}$ and C$_{\text{i}}$ DB in Si yet \unit[0.33]{eV} lower in energy than configuration B.
503 This finding is in good agreement with a combined {\em ab initio} and experimental study of Liu et~al.\cite{liu02}, who first proposed this structure as the ground state identifying an energy difference compared to configuration B of \unit[0.2]{eV}.
504 % mattoni: A favored by 0.2 eV - NO! (again, missing spin polarization?)
505 A net magnetization of two spin up electrons, which are equally localized as in the Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB structure is observed.
506 In fact, these two configurations are very similar and are qualitatively different from the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB that does not show magnetization but a nearly collinear bond of the C DB atom to its two neighbored Si atoms while the Si DB atom approximates \unit[120]{$^{\circ}$} angles in between its bonds.
507 Configurations a, A and B are not affected by spin polarization and show zero magnetization.
508 Mattoni et~al.\cite{mattoni2002}, in contrast, find configuration b less favorable than configuration A by \unit[0.2]{eV}.
509 Next to differences in the XC functional and plane-wave energy cut-off this discrepancy might be attributed to the neglect of spin polarization in their calculations, which -- as has been shown for the C$_{\text{i}}$ BC configuration -- results in an increase of configurational energy.
510 Indeed, investigating the migration path from configurations a to b and, in doing so, reusing the wave functions of the previous migration step the final structure, i.e. configuration b, was obtained with zero magnetization and an increase in configurational energy by \unit[0.2]{eV}.
511 Obviously a different energy minimum of the electronic system is obtained indicating hysteresis behavior.
512 However, since the total energy is lower for the magnetic result it is believed to constitute the real, i.e. global, minimum with respect to electronic minimization.
513 %
514 % a b transition
515 A low activation energy of \unit[0.1]{eV} is observed for the a$\rightarrow$b transition.
516 Thus, configuration a is very unlikely to occur in favor of configuration b.
517
518 % repulsive along 110
519 A repulsive interaction is observed for C$_{\text{s}}$ at lattice sites along \hkl[1 1 0], i.e. positions 1 (configuration a) and 5.
520 This is due to tensile strain originating from both, the C$_{\text{i}}$ DB and the C$_{\text{s}}$ atom residing within the \hkl[1 1 0] bond chain.
521 This finding agrees well with results by Mattoni et~al.\cite{mattoni2002}.
522 % all other investigated results: attractive interaction. stress compensation.
523 In contrast, all other investigated configurations show attractive interactions.
524 The most favorable configuration is found for C$_{\text{s}}$ at position 3, which corresponds to the lattice site of one of the upper neighbored Si atoms of the DB structure that is compressively strained along \hkl[1 -1 0] and \hkl[0 0 1] by the C-Si DB.
525 The substitution with C allows for most effective compensation of strain.
526 This structure is followed by C$_{\text{s}}$ located at position 2, the lattice site of one of the neighbor atoms below the two Si atoms that are bound to the C$_{\text{i}}$ DB atom.
527 As mentioned earlier these two lower Si atoms indeed experience tensile strain along the \hkl[1 1 0] bond chain, however, additional compressive strain along \hkl[0 0 1] exists.
528 The latter is partially compensated by the C$_{\text{s}}$ atom.
529 Yet less of compensation is realized if C$_{\text{s}}$ is located at position 4 due to a larger separation although both bottom Si atoms of the DB structure are indirectly affected, i.e. each of them is connected by another Si atom to the C atom enabling the reduction of strain along \hkl[0 0 1].
530
531 % c agglomeration vs c clustering ... migs to b conf
532 % 2 more migs: 051 -> 128 and 026! forgot why ... probably it's about probability of C clustering
533 Obviously agglomeration of C$_{\text{i}}$ and C$_{\text{s}}$ is energetically favorable except for separations along one of the \hkl<1 1 0> directions.
534 The energetically most favorable configuration (configuration b) forms a strong but compressively strained C-C bond with a separation distance of \unit[0.142]{nm} sharing a Si lattice site.
535 Again, conclusions concerning the probability of formation are drawn by investigating migration paths.
536 Since C$_{\text{s}}$ is unlikely to exhibit a low activation energy for migration the focus is on C$_{\text{i}}$.
537 Pathways starting from the two next most favored configurations were investigated, which show activation energies above \unit[2.2]{eV} and \unit[3.5]{eV} respectively.
538 Although lower than the barriers for obtaining the ground state of two C$_{\text{i}}$ defects the activation energies are yet considered too high.
539 For the same reasons as in the last subsection, structures other than the ground state configuration are, thus, assumed to arise more likely due to much lower activation energies necessary for their formation and still comparatively low binding energies.
540
541 \subsection{C$_{\text{i}}$ next to V}
542
543 In the last subsection configurations of a C$_{\text{i}}$ DB with C$_{\text{s}}$ occupying a vacant site have been investigated.
544 Additionally, configurations might arise in IBS, in which the impinging C atom creates a vacant site near a C$_{\text{i}}$ DB, but does not occupy it.
545 Resulting binding energies of a C$_{\text{i}}$ DB and a nearby vacancy are listed in the second row of Table~\ref{table:dc_c-sv}.
546 All investigated structures are preferred compared to isolated largely separated defects.
547 In contrast to C$_{\text{s}}$ this is also valid for positions along \hkl[1 1 0] resulting in an entirely attractive interaction between defects of these types.
548 Even for the largest possible distance (R) achieved in the calculations of the periodic supercell a binding energy as low as \unit[-0.31]{eV} is observed.
549 The ground state configuration is obtained for a V at position 1.
550 The C atom of the DB moves towards the vacant site forming a stable C$_{\text{s}}$ configuration resulting in the release of a huge amount of energy.
551 The second most favorable configuration is accomplished for a V located at position 3 due to the reduction of compressive strain of the Si DB atom and its two upper Si neighbors present in the C$_{\text{i}}$ DB configuration.
552 This configuration is followed by the structure, in which a vacant site is created at position 2.
553 Similar to the observations for C$_{\text{s}}$ in the last subsection a reduction of strain along \hkl[0 0 1] is enabled by this configuration.
554 Relaxed structures of the latter two defect combinations are shown in the bottom left of Fig.~\ref{fig:314-539} and \ref{fig:059-539} respectively together with their energetics during transition into the ground state.
555 \begin{figure}
556 \includegraphics[width=\columnwidth]{314-539.ps}
557 \caption{Migration barrier and structures of the transition of the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB and a V created at position 3 (left) into a C$_{\text{s}}$ configuration (right). An activation energy of \unit[0.1]{eV} is observed.}
558 \label{fig:314-539}
559 \end{figure}
560 \begin{figure}
561 \includegraphics[width=\columnwidth]{059-539.ps}
562 \caption{Migration barrier and structures of the transition of the initial C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB and a V created at position 2 (left) into a C$_{\text{s}}$ configuration (right). An activation energy of \unit[0.6]{eV} is observed.}
563 \label{fig:059-539}
564 \end{figure}
565 Activation energies as low as \unit[0.1]{eV} and \unit[0.6]{eV} are observed.
566 In the first case the Si and C atom of the DB move towards the vacant and initial DB lattice site respectively.
567 In total three Si-Si and one more Si-C bond is formed during transition.
568 In the second case the lowest barrier is found for the migration of Si number 1, which is substituted by the C$_{\text{i}}$ atom, towards the vacant site.
569 A net amount of five Si-Si and one Si-C bond are additionally formed during transition.
570 The direct migration of the C$_{\text{i}}$ atom onto the vacant lattice site results in a somewhat higher barrier of \unit[1.0]{eV}.
571 In both cases, the formation of additional bonds is responsible for the vast gain in energy rendering almost impossible the reverse processes.
572
573 In summary, pairs of C$_{\text{i}}$ DBs and Vs, like no other before, show highly attractive interactions for all investigated combinations independent of orientation and separation direction of the defects.
574 Furthermore, small activation energies, even for transitions into the ground state exist.
575 Based on these results, a high probability for the formation of C$_{\text{s}}$ must be concluded.
576
577 \subsection{C$_{\text{s}}$ next to Si$_{\text{i}}$}
578 \label{subsection:cs_si}
579
580 As shown in section~\ref{subsection:sep_def}, C$_{\text{s}}$ exhibits the lowest energy of formation.
581 Considering a perfect Si crystal and conservation of particles, however, the occupation of a Si lattice site by a slowed down implanted C atom is necessarily accompanied by the formation of a Si self-interstitial.
582 There are good reasons for the existence of regions exhibiting such configurations with regard to the IBS process.
583 Highly energetic C atoms are able to kick out a Si atom from its lattice site, resulting in a Si self-interstitial accompanied by a vacant site, which might get occupied by another C atom that lost almost all of its kinetic energy.
584 %Thus, configurations of C$_{\text{s}}$ and Si self-interstitials are investigated in the following.
585 Provided that the first C atom, which created the V and Si$_{\text{i}}$ pair has enough kinetic energy to escape the affected region, the C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$ pair can be described as a separated defect complex.
586 The Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB, which was found to exhibit the lowest energy of formation within the investigated self-interstitial configurations, is assumed to provide the energetically most favorable configuration in combination with C$_{\text{s}}$.
587
588 \begin{table}
589 \begin{ruledtabular}
590 \begin{tabular}{l c c c c c c}
591  & \hkl[1 1 0] & \hkl[-1 1 0] & \hkl[0 1 1] & \hkl[0 -1 1] &
592    \hkl[1 0 1] & \hkl[-1 0 1] \\
593 \hline
594 1 & \RM{1} & \RM{3} & \RM{3} & \RM{1} & \RM{3} & \RM{1} \\
595 2 & \RM{2} & \RM{6} & \RM{6} & \RM{2} & \RM{8} & \RM{5} \\
596 3 & \RM{3} & \RM{1} & \RM{3} & \RM{1} & \RM{1} & \RM{3} \\
597 4 & \RM{4} & \RM{7} & \RM{9} & \RM{10} & \RM{10} & \RM{9} \\
598 5 & \RM{5} & \RM{8} & \RM{6} & \RM{2} & \RM{6} & \RM{2} \\
599 \end{tabular}
600 \caption{Equivalent configurations labeled \RM{1}-\RM{10} of \hkl<1 1 0>-type Si$_{\text{i}}$ DBs created at position I and C$_{\text{s}}$ created at positions 1 to 5 according to Fig.~\ref{fig:combos_si}. The respective orientation of the Si$_{\text{i}}$ DB is given in the first row.}
601 \label{table:dc_si-s}
602 \end{ruledtabular}
603 \end{table}
604 \begin{table*}
605 \begin{ruledtabular}
606 \begin{tabular}{l c c c c c c c c c c}
607  & \RM{1} & \RM{2} & \RM{3} & \RM{4} & \RM{5} & \RM{6} & \RM{7} & \RM{8} & \RM{9} & \RM{10} \\
608 \hline
609 $E_{\text{f}}$ [eV]& 4.37 & 5.26 & 5.57 & 5.37 & 5.12 & 5.10 & 5.32 & 5.28 & 5.39 & 5.32 \\
610 $E_{\text{b}}$ [eV] & -0.97 & -0.08 & 0.22 & -0.02 & -0.23 & -0.25 & -0.02 & -0.06 & 0.05 & -0.03 \\
611 $r$ [nm] & 0.292 & 0.394 & 0.241 & 0.453 & 0.407 & 0.408 & 0.452 & 0.392 & 0.456 & 0.453\\
612 \end{tabular}
613 \caption{Formation energies $E_{\text{f}}$, binding energies $E_{\text{b}}$ and C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$ separation distances of configurations combining C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ as defined in Table~\ref{table:dc_si-s}.}
614 \label{table:dc_si-s_e}
615 \end{ruledtabular}
616 \end{table*}
617 Table~\ref{table:dc_si-s} classifies equivalent configurations of \hkl<1 1 0>-type Si$_{\text{i}}$ DBs created at position I and C$_{\text{s}}$ created at positions 1 to 5 according to Fig.~\ref{fig:combos_si}.
618 Corresponding formation as well as binding energies and the separation distances of the C$_{\text{s}}$ atom and the Si$_{\text{i}}$ DB lattice site are listed in Table~\ref{table:dc_si-s_e}.
619 In total ten different configurations exist within the investigated range.
620 Configuration \RM{1} constitutes the energetically most favorable structure exhibiting a formation energy of \unit[4.37]{eV}.
621 Obviously the configuration of a Si$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB and a neighbored C$_{\text{s}}$ atom along the bond chain, which has the same direction as the alignment of the DB, enables the largest possible reduction of strain.
622 The relaxed structure is displayed in the bottom right of Fig.~\ref{fig:162-097}.
623 Compressive strain originating from the Si$_{\text{i}}$ is compensated by tensile strain inherent to the C$_{\text{s}}$ configuration.
624 The Si$_{\text{i}}$ DB atoms are displaced towards the lattice site occupied by the C$_{\text{s}}$ atom in such a way that the Si$_{\text{i}}$ DB atom closest to the C atom does no longer form bonds to its top Si neighbors, but to the next neighbored Si atom along \hkl[1 1 0].
625
626 However, the configuration is energetically less favorable than the \hkl<1 0 0> C$_{\text{i}}$ DB, which, thus, remains the ground state of a C atom introduced into otherwise perfect c-Si.
627 The transition involving the latter two configurations is shown in Fig.~\ref{fig:162-097}.
628 \begin{figure}
629 \includegraphics[width=\columnwidth]{162-097.ps}
630 \caption{Migration barrier and structures of the transition of a \hkl[1 1 0] Si$_{\text{i}}$ DB next to C$_{\text{s}}$ (right) into the C$_{\text{i}}$ \hkl[0 0 -1] DB configuration (left). An activation energy of \unit[0.12]{eV} and \unit[0.77]{eV} for the reverse process is observed.}
631 \label{fig:162-097}
632 \end{figure}
633 An activation energy as low as \unit[0.12]{eV} is necessary for the migration into the ground state configuration.
634 Accordingly, the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB configuration is assumed to occur more likely.
635 However, only \unit[0.77]{eV} are needed for the reverse process, i.e. the formation of C$_{\text{s}}$ and a Si$_{\text{i}}$ DB out of the ground state.
636 Due to the low activation energy this process must be considered to be activated without much effort either thermally or by introduced energy of the implantation process.
637
638 \begin{figure}
639 %\includegraphics[width=\columnwidth]{c_sub_si110.ps}
640 \includegraphics[width=\columnwidth]{c_sub_si110_data.ps}
641 \caption{Binding energies of combinations of a C$_{\text{s}}$ and a Si$_{\text{i}}$ DB with respect to the separation distance.}
642 %\caption{Binding energies of combinations of a C$_{\text{s}}$ and a Si$_{\text{i}}$ DB with respect to the separation distance. The interaction strength of the defect pairs are well approximated by a Lennard-Jones 6-12 potential, which is used for curve fitting.}
643 \label{fig:dc_si-s}
644 \end{figure}
645 Fig.~\ref{fig:dc_si-s} shows the binding energies of pairs of C$_{\text{s}}$ and a Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB with respect to the separation distance.
646 %The interaction of the defects is well approximated by a Lennard-Jones (LJ) 6-12 potential, which is used for curve fitting.
647 %Unable to model possible positive values of the binding energy, i.e. unfavorable configurations, located to the right of the minimum, the LJ fit should rather be thought as a guide for the eye describing the decrease of the interaction strength, i.e. the absolute value of the binding energy, with increasing separation distance.
648 %The binding energy quickly drops to zero.
649 %The LJ fit estimates almost zero interaction already at \unit[0.6]{nm}, indicating a low interaction capture radius of the defect pair.
650 As can be seen, the interaction strength, i.e. the absolute value of the binding energy, quickly drops to zero with increasing separation distance.
651 Almost zero interaction may be assumed already at distances about \unit[0.5-0.6]{nm}, indicating a low interaction capture radius of the defect pair.
652 In IBS highly energetic collisions are assumed to easily produce configurations of defects exhibiting separation distances exceeding the capture radius.
653 For this reason C$_{\text{s}}$ without a Si$_{\text{i}}$ DB located within the immediate proximity, which is, thus, unable to form the thermodynamically stable C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, constitutes a most likely configuration to be found in IBS.
654
655 Similar to what was previously mentioned, configurations of C$_{\text{s}}$ and a Si$_{\text{i}}$ DB might be particularly important at higher temperatures due to the low activation energy necessary for its formation.
656 At higher temperatures the contribution of entropy to structural formation increases, which might result in a spatial separation even for defects located within the capture radius.
657 Indeed, an {\em ab initio} molecular dynamics run at \unit[900]{$^{\circ}$C} starting from configuration \RM{1}, which -- based on the above findings -- is assumed to recombine into the ground state configuration, results in a separation of the C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ DB by more than 4 neighbor distances realized in a repeated migration mechanism of annihilating and arising Si$_{\text{i}}$  DBs.
658 The atomic configurations for two different points in time are shown in Fig.~\ref{fig:md}.
659 Si atoms 1 and 2, which form the initial DB, occupy Si lattice sites in the final configuration while Si atom 3 is transferred from a regular lattice site into the interstitial lattice.
660 \begin{figure}
661 \begin{minipage}{0.49\columnwidth}
662 \includegraphics[width=\columnwidth]{md01.eps}
663 \end{minipage}
664 \begin{minipage}{0.49\columnwidth}
665 \includegraphics[width=\columnwidth]{md02.eps}\\
666 \end{minipage}\\
667 \begin{minipage}{0.49\columnwidth}
668 \begin{center}
669 $t=\unit[2230]{fs}$
670 \end{center}
671 \end{minipage}
672 \begin{minipage}{0.49\columnwidth}
673 \begin{center}
674 $t=\unit[2900]{fs}$
675 \end{center}
676 \end{minipage}
677 \caption{Atomic configurations of an {\em ab initio} molecular dynamics run at \unit[900]{$^{\circ}$C} starting from a configuration of C$_{\text{s}}$ located next to a Si$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB (atoms 1 and 2). Equal atoms are marked by equal numbers. Bonds are drawn for substantial atoms only.}
678 \label{fig:md}
679 \end{figure}
680
681 \subsection{Mobility of silicon defects}
682
683 Separated configurations of \cs{} and \si{} become even more likely if Si diffusion exhibits a low barrier of migration.
684 Concerning the mobility of the ground state Si$_{\text{i}}$, an activation energy of \unit[0.67]{eV} for the transition of the Si$_{\text{i}}$ \hkl[0 1 -1] to \hkl[1 1 0] DB located at the neighbored Si lattice site in \hkl[1 1 -1] direction is obtained by first-principles calculations.
685 Further quantum-mechanical investigations revealed a barrier of \unit[0.94]{eV} for the Si$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB to Si$_{\text{i}}$ H, \unit[0.53]{eV} for the Si$_{\text{i}}$ \hkl[1 1 0] DB to Si$_{\text{i}}$ T and \unit[0.35]{eV} for the Si$_{\text{i}}$ H to Si$_{\text{i}}$ T transition.
686 These are of the same order of magnitude than values derived from other {\em ab initio} studies\cite{bloechl93,sahli05}.
687 The low barriers indeed enable configurations of further separated \cs{} and \si{} atoms by the highly mobile \si{} atom departing from the \cs{} defect as observed in the previously discussed MD simulation.
688
689 \subsection{Summary}
690
691 Obtained results for separated point defects in Si are in good agreement to previous theoretical work on this subject, both for intrinsic defects\cite{leung99,al-mushadani03} as well as for C point defects\cite{dal_pino93,capaz94}.
692 The ground state configurations of these defects, i.e. the Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> and C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, have been reproduced and compare well to previous findings of theoretical investigations on Si$_{\text{i}}$\cite{leung99,al-mushadani03} as well as theoretical\cite{dal_pino93,capaz94,burnard93,leary97,jones04} and experimental\cite{watkins76,song90} studies on C$_{\text{i}}$.
693 A quantitatively improved activation energy of \unit[0.9]{eV} for a qualitatively equal migration path based on studies by Capaz et.~al.\cite{capaz94} to experimental values\cite{song90,lindner06,tipping87} ranging from \unit[0.70-0.87]{eV} reinforce their derived mechanism of diffusion for C$_{\text{i}}$ in Si.
694
695 The investigation of defect pairs indicated a general trend of defect agglomeration mainly driven by the potential of strain reduction.
696 Obtained results for the most part compare well with results gained in previous studies\cite{leary97,capaz98,mattoni2002,liu02} and show an astonishingly good agreement with experiment\cite{song90}.
697 For configurations involving two C impurities the ground state configurations have been found to consist of C-C bonds, which are responsible for the vast gain in energy.
698 However, based on investigations of possible migration pathways, these structures are less likely to arise than structures, in which both C atoms are interconnected by another Si atom, which is due to high activation energies of the respective pathways or alternative pathways featuring less high activation energies, which, however, involve intermediate unfavorable configurations.
699 Thus, agglomeration of C$_{\text{i}}$ is expected while the formation of C-C bonds is assumed to fail to appear by thermally activated diffusion processes.
700
701 In contrast, C$_{\text{i}}$ and Vs were found to efficiently react with each other exhibiting activation energies as low as \unit[0.1]{eV} and \unit[0.6]{eV} resulting in stable C$_{\text{s}}$ configurations.
702 In addition, we observed a highly attractive interaction exhibiting a large capture radius, effective independent of the orientation and the direction of separation of the defects.
703 Accordingly, the formation of C$_{\text{s}}$ is very likely to occur.
704 Comparatively high energies necessary for the reverse process reveal this configuration to be extremely stable.
705
706 Investigating configurations of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$, formation energies higher than that of the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB were obtained keeping up previously derived assumptions concerning the ground state of C$_{\text{i}}$ in otherwise perfect Si.
707 However, a small capture radius was identified for the respective interaction that might prevent the recombination of defects exceeding a separation of \unit[0.6]{nm} into the ground state configuration.
708 In addition, a rather small activation energy of \unit[0.77]{eV} allows for the formation of a C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$ pair originating from the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB structure by thermally activated processes.
709 Thus, elevated temperatures might lead to configurations of C$_{\text{s}}$ and a remaining Si atom in the near interstitial lattice, which is supported by the result of the molecular dynamics run.
710
711 % add somewhere: nearly same energies of C_i -> Si_i + C_s, Si_i mig and C_i mig
712
713
714
715
716
717
718
719
720 \section{Excursus: Competition of C$_{\text{i}}$ and C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$}
721
722 As has been shown in section \ref{subsection:cs_si}, the energetically most favorable configuration of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ is obtained for C$_{\text{s}}$ located at the neighbored lattice site along the \hkl<1 1 0> bond chain of a Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB.
723 However, the energy of formation is slightly higher than that of the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, which constitutes the ground state for a C impurity introduced into otherwise perfect c-Si.
724
725 For a possible clarification of the controversial views on the participation of C$_{\text{s}}$ in the precipitation mechanism by classical potential simulations, test calculations need to ensure the proper description of the relative formation energies of combined structures of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ compared to C$_{\text{i}}$.
726 This is particularly important since the energy of formation of C$_{\text{s}}$ is drastically underestimated by the EA potential.
727 A possible occurrence of C$_{\text{s}}$ could then be attributed to a lower energy of formation of the C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$ combination due to the low formation energy of  C$_{\text{s}}$, which is obviously wrong.
728
729 Since quantum-mechanical calculations reveal the Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB as the ground state configuration of Si$_{\text{i}}$ in Si it is assumed to provide the energetically most favorable configuration in combination with C$_{\text{s}}$.
730 Empirical potentials, however, predict Si$_{\text{i}}$ T to be the energetically most favorable configuration.
731 Thus, investigations of the relative energies of formation of defect pairs need to include combinations of C$_{\text{s}}$ with Si$_{\text{i}}$ T.
732 Results of VASP and EA calculations are summarized in Table~\ref{tab:defect_combos}.
733 \begin{table}
734 \begin{ruledtabular}
735 \begin{tabular}{l c c c}
736  & C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> & C$_{\text{s}}$ \& Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> &  C$_{\text{s}}$ \& Si$_{\text{i}}$ T\\
737 \hline
738  VASP & 3.72 & 4.37 & 4.17$^{\text{a}}$/4.99$^{\text{b}}$/4.96$^{\text{c}}$ \\
739  Erhart/Albe & 3.88 & 4.93 & 5.25$^{\text{a}}$/5.08$^{\text{b}}$/4.43$^{\text{c}}$
740 \end{tabular}
741 \end{ruledtabular}
742 \caption{Formation energies of defect configurations of a single C impurity in otherwise perfect c-Si determined by classical potential and {\em ab initio} methods. The formation energies are given in electron volts. T denotes the tetrahedral and the subscripts i and s indicate the interstitial and substitutional configuration. Superscripts a, b and c denote configurations of C$_{\text{s}}$ located at the first, second and third nearest neighbored lattice site with respect to the Si$_{\text{i}}$ atom.}
743 \label{tab:defect_combos}
744 \end{table}
745 Obviously the EA potential properly describes the relative energies of formation.
746 Combined structures of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ T are energetically less favorable than the ground state C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB configuration.
747 With increasing separation distance the energies of formation decrease.
748 However, even for non-interacting defects, the energy of formation, which is then given by the sum of the formation energies of the separated defects (\unit[4.15]{eV}) is still higher than that of the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB.
749 Unexpectedly, the structure of a Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB and a neighbored C$_{\text{s}}$, which is the most favored configuration of a C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ DB according to the quantum-mechanical calculations, likewise constitutes an energetically favorable configuration within the EA description, which is even preferred over the two least separated configurations of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ T.
750 This is attributed to an effective reduction in strain enabled by the respective combination.
751 Quantum-mechanical results reveal a more favorable energy of fomation for the C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$ T (a) configuration.
752 However, this configuration is unstable involving a structural transition into the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> interstitial, thus, not maintaining the tetrahedral Si nor the substitutional C defect.
753
754 Thus, the underestimated energy of formation of C$_{\text{s}}$ within the EA calculation does not pose a serious limitation in the present context.
755 Since C is introduced into a perfect Si crystal and the number of particles is conserved in simulation, the creation of C$_{\text{s}}$ is accompanied by the creation of Si$_{\text{i}}$, which is energetically less favorable than the ground state, i.e. the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB configuration, for both, the EA and {\em ab initio} treatment.
756 In either case, no configuration more favorable than the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB has been found.
757 Thus, a proper description with respect to the relative energies of formation is assumed for the EA potential.
758
759
760 \section{Classical potential calculations on the SiC precipitation in Si}
761 \label{sec:md}
762
763 The MD technique is used to gain insight into the behavior of C existing in different concentrations in c-Si on the microscopic level at finite temperatures.
764 Simulations are restricted to classical potential simulations using the procedure introduced in section \ref{meth}.
765 In a first step, simulations are performed, which try to mimic the conditions during IBS.
766 Results reveal limitations of the employed potential and MD in general.
767 With reference to the results of the last section, a workaround is discussed.
768 The approach is follwed and, finally, results gained by the MD simulations are interpreted drawing special attention to the established controversy concerning precipitation of SiC in Si.
769
770 \subsection{Molecular dynamics simulations}
771
772 Fig.~\ref{fig:450} shows the radial distribution functions of simulations, in which C was inserted at \unit[450]{$^{\circ}$C}, an operative and efficient temperature in IBS\cite{lindner99}, for all three insertion volumes.
773 \begin{figure}
774 \begin{center}
775 \subfigure[]{\label{fig:450:a}
776 \includegraphics[width=\columnwidth]{sic_prec_450_si-si_c-c.ps}
777 }
778 \subfigure[]{\label{fig:450:b}
779 \includegraphics[width=\columnwidth]{sic_prec_450_si-c.ps}
780 }
781 \end{center}
782 \caption{Radial distribution function for C-C and Si-Si (Fig.~\ref{fig:450:a}) as well as Si-C (Fig.~\ref{fig:450:b}) pairs for C inserted at \unit[450]{$^{\circ}$C}. In the latter case the resulting C-Si distances for a C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB are given additionally and the Si-C cut-off distance is marked by an arrow. Insets in Fig.~\ref{fig:450:a} show magnified regions of the respective distribution functions.}
783 \label{fig:450}
784 \end{figure}
785 There is no significant difference between C insertion into $V_2$ and $V_3$.
786 Thus, in the following, the focus is on low ($V_1$) and high ($V_2$, $V_3$) C concentration simulations only.
787
788 In the low C concentration simulation the number of C-C bonds is small, as can be seen in the upper part of Fig.~\ref{fig:450:a}.
789 On average, there are only 0.2 C atoms per Si unit cell.
790 By comparing the Si-C peaks of the low concentration simulation with the resulting Si-C distances of a C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB in Fig.~\ref{fig:450:b} it becomes evident that the structure is clearly dominated by this kind of defect.
791 One exceptional peak at \unit[0.26]{nm} (marked with an arrow in Fig.~\ref{fig:450:b}) exists, which is due to the Si-C cut-off, at which the interaction is pushed to zero.
792 Investigating the C-C peak at \unit[0.31]{nm}, which is also available for low C concentrations as can be seen in the upper inset of Fig.~\ref{fig:450:a}, reveals a structure of two concatenated, differently oriented C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DBs to be responsible for this distance.
793 Additionally, in the inset of the bottom part of Fig.\ref{fig:450:a} the Si-Si radial distribution shows non-zero values at distances around \unit[0.3]{nm}, which, again, is due to the DB structure stretching two neighbored Si atoms.
794 This is accompanied by a reduction of the number of bonds at regular Si distances of c-Si.
795 A more detailed description of the resulting C-Si distances in the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB configuration and the influence of the defect on the structure is available in a previous study\cite{zirkelbach09}.
796
797 For high C concentrations, the defect concentration is likewise increased and a considerable amount of damage is introduced in the insertion volume.
798 A subsequent superposition of defects generates new displacement arrangements for the C-C as well as Si-C pair distances, which become hard to categorize and trace and obviously lead to a broader distribution.
799 Short range order indeed is observed, i.e. the large amount of strong neighbored C-C bonds at \unit[0.15]{nm} as expected in graphite or diamond and Si-C bonds at \unit[0.19]{nm} as expected in SiC, but hardly visible is the long range order.
800 This indicates the formation of an amorphous SiC-like phase.
801 In fact, resulting Si-C and C-C radial distribution functions compare quite well with these obtained by cascade amorphized and melt-quenched amorphous SiC using a modified Tersoff potential\cite{gao02}.
802
803 In both cases, i.e. low and high C concentrations, the formation of 3C-SiC fails to appear.
804 With respect to the precipitation model, the formation of C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DBs indeed occurs for low C concentrations.
805 However, sufficient defect agglomeration is not observed.
806 For high C concentrations, a rearrangement of the amorphous SiC structure, which is not expected at prevailing temperatures, and a transition into 3C-SiC is not observed either.
807 On closer inspection two reasons for describing this obstacle become evident.
808
809 First of all, there is the time scale problem inherent to MD in general.
810 To minimize the integration error the discretized time step must be chosen smaller than the reciprocal of the fastest vibrational mode resulting in a time step of \unit[1]{fs} for the investigated materials system.
811 Limitations in computer power result in a slow propagation in phase space.
812 Several local minima exist, which are separated by large energy barriers.
813 Due to the low probability of escaping such a local minimum, a single transition event corresponds to a multiple of vibrational periods.
814 Long-term evolution, such as a phase transformation and defect diffusion, in turn, are made up of a multiple of these infrequent transition events.
815 Thus, time scales to observe long-term evolution are not accessible by traditional MD.
816 New accelerated methods have been developed to bypass the time scale problem retaining proper thermodynamic sampling\cite{voter97,voter97_2,voter98,sorensen2000,wu99}.
817
818 However, the applied potential comes up with an additional limitation, as previously mentioned in the introduction.
819 %The cut-off function of the short range potential limits the interaction to nearest neighbors, which results in overestimated and unphysical high forces between neighbored atoms.
820 The cut-off function of the short range potential limits the interaction to nearest neighbors.
821 Since the total binding energy is, thus, accommodated within this short distance, which according to the universal energy relation would usually correspond to a much larger distance, unphysical high forces between two neighbored atoms arise.
822 While cohesive and formational energies are often well described, these effects increase for non-equilibrium structures and dynamics.
823 This behavior, as observed and discussed for the Tersoff potential\cite{tang95,mattoni2007}, is supported by the overestimated activation energies necessary for C diffusion as investigated in section \ref{subsection:cmob}.
824 Indeed, it is not only the strong, hard to break C-C bond inhibiting C diffusion and further rearrangements in the case of the high C concentration simulations.
825 This is also true for the low concentration simulations dominated by the occurrence of C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DBs spread over the whole simulation volume, which are unable to agglomerate due to the high migration barrier.
826
827 \subsection{Increased temperature simulations}
828
829 Due to the problem of slow phase space propagation, which is enhanced by the employed potential, pushing the time scale to the limits of computational resources or applying one of the above mentioned accelerated dynamics methods exclusively might not be sufficient.
830 Instead, higher temperatures are utilized to compensate overestimated diffusion barriers.
831 These are overestimated by a factor of 2.4 to 3.5.
832 Scaling the absolute temperatures accordingly results in maximum temperatures of \unit[1460-2260]{$^{\circ}$C}.
833 Since melting already occurs shortly below the melting point of the potential (2450 K)\cite{albe_sic_pot} due to the presence of defects, a maximum temperature of \unit[2050]{$^{\circ}$C} is used.
834
835 Fig.~\ref{fig:tot} shows the resulting radial distribution functions for various temperatures.
836 \begin{figure}
837 \begin{center}
838 \subfigure[]{\label{fig:tot:si-c}
839 \includegraphics[width=\columnwidth]{tot_pc_thesis.ps}
840 }
841 \subfigure[]{\label{fig:tot:si-si}
842 \includegraphics[width=\columnwidth]{tot_pc3_thesis.ps}
843 }
844 \subfigure[]{\label{fig:tot:c-c}
845 \includegraphics[width=\columnwidth]{tot_pc2_thesis.ps}
846 }
847 \end{center}
848 \caption{Radial distribution function for Si-C (Fig.~\ref{fig:tot:si-c}), Si-Si (Fig.~\ref{fig:tot:si-si}) and C-C (Fig.~\ref{fig:tot:c-c}) pairs for the C insertion into $V_1$ at elevated temperatures. For the Si-C distribution resulting Si-C distances of a C$_{\text{s}}$ configuration are plotted. In the C-C distribution dashed arrows mark C-C distances occurring from C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB combinations, solid arrows mark C-C distances of pure C$_{\text{s}}$ combinations and the dashed line marks C-C distances of a C$_{\text{i}}$ and C$_{\text{s}}$ combination.}
849 \label{fig:tot}
850 \end{figure}
851 In Fig.~\ref{fig:tot:si-c}, the first noticeable and promising change observed for the Si-C bonds is the successive decline of the artificial peak at the cut-off distance with increasing temperature.
852 Obviously, sufficient kinetic energy is provided to affected atoms that are enabled to escape the cut-off region.
853 Additionally, a more important structural change was observed, which is illustrated in the two shaded areas in Fig.~\ref{fig:tot:si-c}.
854 Obviously, the structure obtained at \unit[450]{$^{\circ}$C}, which was found to be dominated by C$_{\text{i}}$, transforms into a C$_{\text{s}}$ dominated structure with increasing temperature.
855 Comparing the radial distribution at \unit[2050]{$^{\circ}$C} to the resulting bonds of C$_{\text{s}}$ in c-Si excludes all possibility of doubt.
856
857 The phase transformation is accompanied by an arising Si-Si peak at \unit[0.325]{nm} in Fig.~\ref{fig:tot:si-si}, which corresponds to the distance of next neighbored Si atoms along the \hkl<1 1 0> bond chain with C$_{\text{s}}$ in between.
858 Since the expected distance of these Si pairs in 3C-SiC is \unit[0.308]{nm} the existing SiC structures embedded in the c-Si host are stretched.
859
860 According to the C-C radial distribution displayed in Fig.~\ref{fig:tot:c-c}, agglomeration of C fails to appear even for elevated temperatures, as can be seen on the total amount of C pairs within the investigated separation range, which does not change significantly.
861 However, a small decrease in the amount of neighbored C pairs can be observed with increasing temperature.
862 This high temperature behavior is promising since breaking of these diamond- and graphite-like bonds is mandatory for the formation of 3C-SiC.
863 Obviously, acceleration of the dynamics occurred by supplying additional kinetic energy.
864 A slight shift towards higher distances can be observed for the maximum located shortly above \unit[0.3]{nm}.
865 Arrows with dashed lines mark C-C distances resulting from C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB combinations while arrows with solid lines mark distances arising from combinations of C$_{\text{s}}$.
866 The continuous dashed line corresponds to the distance of C$_{\text{s}}$ and a neighbored C$_{\text{i}}$ DB.
867 Obviously, the shift of the peak is caused by the advancing transformation of the C$_{\text{i}}$ DB into the C$_{\text{s}}$ defect.
868 Quite high g(r) values are obtained for distances in between the continuous dashed line and the first arrow with a solid line.
869 For the most part, these structures can be identified as configurations of C$_{\text{s}}$ with either another C atom that basically occupies a Si lattice site but is displaced by a Si interstitial residing in the very next surrounding or a C atom that nearly occupies a Si lattice site forming a defect other than the \hkl<1 0 0>-type with the Si atom.
870 Again, this is a quite promising result since the C atoms are taking the appropriate coordination as expected in 3C-SiC.
871
872 Fig.~\ref{fig:v2} displays the radial distribution for high C concentrations.
873 \begin{figure}
874 \begin{center}
875 \subfigure[]{\label{fig:v2:si-c}
876 \includegraphics[width=\columnwidth]{12_pc_thesis.ps}
877 }
878 \subfigure[]{\label{fig:v2:c-c}
879 \includegraphics[width=\columnwidth]{12_pc_c_thesis.ps}
880 }
881 \end{center}
882 \caption{Radial distribution function for Si-C (Fig.~\ref{fig:v2:si-c}) and C-C (Fig.~\ref{fig:v2:c-c}) pairs for the C insertion into $V_2$ at elevated temperatures. Arrows mark the respective cut-off distances.}
883 \label{fig:v2}
884 \end{figure}
885 \begin{figure}
886 \begin{center}
887 \includegraphics[width=\columnwidth]{2050.eps}
888 \end{center}
889 \caption{Cross section along the \hkl(1 -1 0) plane of the atomic structure of the high concentration simulation for a C insertion temperature of \unit[2050]{$^{\circ}$C}.}
890 \label{fig:v2as}
891 \end{figure}
892 A cross-section along the \hkl(1 -1 0) plane of the atomic structure for a  C insertion temperature of \unit[2050]{$^{\circ}$C} is shown in Fig.~\ref{fig:v2as}.
893 The amorphous SiC-like phase remains.
894 No significant change in structure is observed.
895 However, the decrease of the cut-off artifact and slightly sharper peaks observed with increasing temperature, in turn, indicate a slight acceleration of the dynamics realized by the supply of kinetic energy.
896 However, it is not sufficient to enable the amorphous to crystalline transition.
897 In contrast, even though bonds of neighbored C atoms could be partially dissolved in the system exhibiting low C concentrations, the amount of neighbored C pairs even increased in the latter case.
898 Moreover, the C-C peak at \unit[0.252]{nm} in Fig.~\ref{fig:v2:c-c}, which gets slightly more distinct, equals the second nearest neighbor distance in diamond and indeed is made up by a structure of two C atoms interconnected by a third C atom.
899 Obviously, processes that appear to be non-conducive are likewise accelerated in a system, in which high amounts of C are incorporated within a short period of time, which is accompanied by a concurrent introduction of accumulating, for the reason of time non-degradable damage.
900 % non-degradable, non-regenerative, non-recoverable
901 Thus, for these systems even larger time scales, which are not accessible within traditional MD, must be assumed for an amorphous to crystalline transition or structural evolution in general.
902 % maybe put description of bonds in here ...
903 Nevertheless, some results likewise indicate the acceleration of other processes that, again, involve C$_{\text{s}}$.
904 The increasingly pronounced Si-C peak at \unit[0.35]{nm} in Fig.~\ref{fig:v2:si-c} corresponds to the distance of a C and a Si atom interconnected by another Si atom.
905 Additionally, the C-C peak at \unit[0.31]{nm} in Fig.~\ref{fig:v2:c-c} corresponds to the distance of two C atoms bound to a central Si atom.
906 For both structures the C atom appears to reside on a substitutional rather than an interstitial lattice site.
907 However, huge amounts of damage hamper identification.
908 The alignment of the investigated structures to the c-Si host is lost in many cases, which suggests the necessity of much more time for structural evolution to maintain the topotactic orientation of the precipitate.
909
910 \subsection{Summary}
911
912 Investigations are targeted at the initially stated controversy of SiC precipitation, i.e. whether precipitation occurs abruptly after enough C$_{\text{i}}$ agglomerated or after a successive agglomeration of C$_{\text{s}}$ on usual Si lattice sites (and Si$_{\text{i}}$) followed by a contraction into incoherent SiC.
913 Results of the previous {\em ab initio} study on defects and defect combinations in C implanted Si suggest C$_{\text{s}}$ to play a decisive role in the precipitation of SiC in Si.
914 To support previous assumptions MD simulations, which are capable of modeling the necessary amount of atoms, i.e. the precipitate and the surrounding c-Si structure, have been employed in the current study.
915
916 In a previous comparative study\cite{zirkelbach10} we have shown that the utilized empirical potential fails to describe some selected processes.
917 Thus, limitations of the employed potential have been further investigated and taken into account in the present study.
918 We focussed on two major shortcomings: the overestimated activation energy and the improper description of intrinsic and C point defects in Si.
919 Overestimated forces between nearest neighbor atoms that are expected for short range potentials\cite{mattoni2007} have been confirmed to influence the C$_{\text{i}}$ diffusion.
920 The migration barrier was estimated to be larger by a factor of 2.4 to 3.5 compared to highly accurate quantum-mechanical calculations\cite{zirkelbach10}.
921 Concerning point defects, the drastically underestimated formation energy of C$_{\text{s}}$ and deficiency in the description of the Si$_{\text{i}}$ ground state necessitated further investigations on structures that are considered important for the problem under study.
922 It turned out that the EA potential still favors a C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB over a C$_{\text{s}}$-Si$_{\text{i}}$ configuration, which, thus, does not constitute any limitation for the simulations aiming to resolve the present controversy of the proposed SiC precipitation models.
923
924 MD simulations at temperatures used in IBS resulted in structures that were dominated by the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB and its combinations if C is inserted into the total volume.
925 Incorporation into volumes $V_2$ and $V_3$ led to an amorphous SiC-like structure within the respective volume.
926 To compensate overestimated diffusion barriers, we performed simulations at accordingly increased temperatures.
927 No significant change was observed for high C concentrations.
928 The amorphous phase is maintained.
929 Due to the incorporation of a huge amount of C into a small volume within a short period of time, damage is produced, which obviously decelerates structural evolution.
930 For the low C concentrations, time scales are still too low to observe C agglomeration sufficient for SiC precipitation, which is attributed to the slow phase space propagation inherent to MD in general.
931 However, we observed a phase transition of the C$_{\text{i}}$-dominated into a clearly C$_{\text{s}}$-dominated structure.
932 The amount of substitutionally occupied C atoms increases with increasing temperature.
933 Entropic contributions are assumed to be responsible for these structures at elevated temperatures that deviate from the ground state at 0 K.
934 Indeed, in the {\em ab initio} MD simulation performed at \unit[900]{$^{\circ}$C} we observed the departing of a Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB located next to a C$_{\text{s}}$ atom instead of a recombination into the ground state configuration, i.e. a C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB.
935
936 \section{Conclusions}
937
938 Results of the present atomistic simulation study based on first-principles as well as classical potential methods allow to draw conclusions on mechanisms involved in the process of SiC conversion in Si.
939 Agglomeration of C$_{\text{i}}$ is energetically favored and enabled by a low activation energy for migration.
940 Although ion implantation is a process far from thermodynamic equilibrium, which might result in phases not described by the Si/C phase diagram, i.e. a C phase in Si, high activation energies are believed to be responsible for a low probability of the formation of C-C clusters.
941
942 In the context of the initially stated controversy present in the precipitation model, quantum-mechanical results suggest an increased participation of C$_{\text{s}}$ already in the initial stage due to its high probability of incidence.
943 %
944 In the MD calculations, increased temperatures simulate the conditions prevalent in IBS that deviate the system from thermodynamic equilibrium enabling C$_{\text{i}}$ to turn into C$_{\text{s}}$.
945 %
946 The associated emission of Si$_{\text{i}}$ serves two needs: as a vehicle for other C$_{\text{s}}$ atoms and as a supply of Si atoms needed elsewhere to form the SiC structure.
947 As for the vehicle, Si$_{\text{i}}$ is believed to react with C$_{\text{s}}$ turning it into highly mobile C$_{\text{i}}$ again, allowing for the rearrangement of the C atom.
948 The rearrangement is crucial to end up in a configuration of C atoms only occupying substitutionally the lattice sites of one of the two fcc lattices that build up the diamond lattice.
949 % TODO: add SiC structure info to intro
950 On the other hand, the conversion of some region of Si into SiC by substitutional C is accompanied by a reduction of the volume since SiC exhibits a \unit[20]{\%} smaller lattice constant than Si.
951 The reduction in volume is compensated by excess Si$_{\text{i}}$ serving as building blocks for the surrounding Si host or a further formation of SiC.
952
953
954
955
956 It is worth to mention that there is no contradiction to results of the HREM studies\cite{werner96,werner97,eichhorn99,lindner99_2,koegler03}.
957 Regions showing dark contrasts in an otherwise undisturbed Si lattice are attributed to C atoms in the interstitial lattice.
958 However, there is no particular reason for the C species to reside in the interstitial lattice.
959 Contrasts are also assumed for Si$_{\text{i}}$.
960 Once precipitation occurs, regions of dark contrasts disappear in favor of Moir\'e patterns indicating 3C-SiC in c-Si due to the mismatch in the lattice constant.
961 Until then, however, these regions are either composed of stretched coherent SiC and interstitials or of already contracted incoherent SiC surrounded by Si and interstitials, where the latter is too small to be detected in HREM.
962 In both cases Si$_{\text{i}}$ might be attributed a third role, which is the partial compensation of tensile strain that is present either in the stretched SiC or at the interface of the contracted SiC and the Si host.
963
964 In addition, the experimentally observed alignment of the \hkl(h k l) planes of the precipitate and the substrate is satisfied by the mechanism of successive positioning of C$_{\text{s}}$.
965 In contrast, there is no obvious reason for the topotactic orientation of an agglomerate consisting exclusively of C-Si dimers, which would necessarily involve a much more profound change in structure for the transition into SiC.
966
967 Moreover, results of the MD simulations at different temperatures and C concentrations can be correlated to experimental findings.
968 % postannealing less efficient than hot implantation
969 Experimental studies revealed increased implantation temperatures to be more efficient than postannealing methods for the formation of topotactically aligned precipitates\cite{kimura82,eichhorn02}.
970 In particular, restructuring of strong C-C bonds is affected\cite{deguchi92}, which preferentially arise if additional kinetic energy provided by an increase of the implantation temperature is missing to accelerate or even enable atomic rearrangements.
971 We assume this to be related to the problem of slow structural evolution encountered in the high C concentration simulations due to the insertion of high amounts of C into a small volume within a short period of time resulting in essentially no time for the system to rearrange.
972 % rt implantation + annealing
973 More substantially, understoichiometric implantations at room temperature into preamorphized Si followed by a solid phase epitaxial regrowth step at \degc{700} result in Si$_{1-x}$C$_x$ layers in the diamond cubic phase with C residing on substitutional Si lattice sites \cite{strane93}.
974 The strained structure is found to be stable up to \degc{810}.
975 Coherent clustering followed by precipitation is suggested if these structures are annealed at higher temperatures.
976 %
977 Similar, implantations of an understoichiometric dose at room temperature followed by thermal annealing results in small spherical sized C$_{\text{i}}$ agglomerates at temperatures below \unit[700]{$^{\circ}$C} and SiC precipitates of the same size at temperatures above \unit[700]{$^{\circ}$C}\cite{werner96}.
978 Since, however, the implantation temperature is considered more efficient than the postannealing temperature, SiC precipitates are expected and indeed observed for as-implanted samples in implantations performed at \unit[450]{$^{\circ}$C}\cite{lindner99,lindner01}.
979 Thus, implanted C is likewise expected to occupy substitutionally usual Si lattice sites right from the start for implantations into c-Si at elevated temperatures.
980
981 Thus, we propose an increased participation of C$_{\text{s}}$ already in the initial stages of the implantation process at temperatures above \unit[450]{$^{\circ}$C}, the temperature most applicable for the formation of SiC layers of high crystalline quality and topotactical alignment\cite{lindner99}.
982 Thermally activated, C$_{\text{i}}$ is enabled to turn into C$_{\text{s}}$ accompanied by Si$_{\text{i}}$.
983 The associated emission of Si$_{\text{i}}$ is needed for several reasons.
984 For the agglomeration and rearrangement of C, Si$_{\text{i}}$ is needed to turn C$_{\text{s}}$ into highly mobile C$_{\text{i}}$ again.
985 Since the conversion of a coherent SiC structure, i.e. C$_{\text{s}}$ occupying the Si lattice sites of one of the two fcc lattices that build up the c-Si diamond lattice, into incoherent SiC is accompanied by a reduction in volume, large amounts of strain are assumed to reside in the coherent as well as at the surface of the incoherent structure.
986 Si$_{\text{i}}$ serves either as a supply of Si atoms needed in the surrounding of the contracted precipitates or as an interstitial defect minimizing the emerging strain energy of a coherent precipitate.
987 The latter has been directly identified in the present simulation study, i.e. structures of two C$_{\text{s}}$ atoms and Si$_{\text{i}}$ located in the vicinity.
988
989 \section{Summary}
990
991 In summary, C and Si point defects in Si, combinations of these defects and diffusion processes within such configurations have been investigated.
992 We have shown that C interstitials in Si tend to agglomerate, which is mainly driven by a reduction of strain.
993 Investigations of migration pathways, however, allow to conclude that C clustering is hindered due to high activation energies of the respective diffusion processes.
994 A highly attractive interaction and a large capture radius has been identified for the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB and the vacancy indicating a high probability for the formation of C$_{\text{s}}$.
995 In contrast, a rapidly decreasing interaction with respect to the separation distance has been identified for C$_{\text{s}}$ and a Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> DB resulting in a low probability of defects exhibiting respective separations to transform into the C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, which constitutes the ground state configuration for a C atom introduced into otherwise perfect Si. 
996 An increased participation of \cs{} during implantation at elevated temperatures is concluded.
997
998 Results of the classical potential MD simulations reinforce conclusions drawn from first-principles calculations.
999 Increased temperatures were utilized to compensate overestimated diffusion barriers and simulate conditions of the IBS process, which is far from equilibrium.
1000 A transition of a \ci-dominated structure at low temperatures into a \cs-dominated structure at high temperatures was observed.
1001 The associated \si{} existing in structures of the high temperature simulations is directly identified to compensate tensile strain available in stretched structures of \cs, which are considered initial, coherently aligned SiC precipitates.
1002
1003 We conclude that precipitation occurs by successive agglomeration of C$_{\text{s}}$ as already proposed by Nejim et~al.\cite{nejim95}.
1004 However, agglomeration and rearrangement is enabled by mobile C$_{\text{i}}$, which has to be present at the same time and is formed by recombination of C$_{\text{s}}$ and Si$_{\text{i}}$.
1005 In contrast to assumptions of an abrupt precipitation of an agglomerate of C$_{\text{i}}$\cite{werner96,werner97,eichhorn99,lindner99_2,koegler03}, however, structural evolution is believed to occur by a successive occupation of usual Si lattice sites with substitutional C.
1006 This mechanism satisfies the experimentally observed alignment of the \hkl(h k l) planes of the precipitate and the substrate, whereas there is no obvious reason for the topotactic orientation of an agglomerate consisting exclusively of C-Si dimers, which would necessarily involve a much more profound change in structure for the transition into SiC.
1007
1008
1009
1010 % ----------------------------------------------------
1011 \section*{Acknowledgment}
1012 We gratefully acknowledge financial support by the Bayerische Forschungsstiftung (DPA-61/05) and the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG SCHM 1361/11).
1013 %Meta Schnell is greatly acknowledged for a critical revision of the present manuscript.
1014
1015 % --------------------------------- references -------------------
1016
1017 \bibliography{../../bibdb/bibdb}{}
1018 \bibliographystyle{h-physrev3}
1019
1020 \end{document}
1021
1022