1 \chapter{Details of simulation parameters and test calculations}
2 \label{chapter:simulation}
4 All calculations are carried out utilizing the supercell approach, which means that the simulation cell contains a multiple of unti cells and periodic boundary conditions are imposed on the boundaries of that simulation cell.
5 Strictly, these supercells become the unit cells, which, by a periodic sequence, compose the bulk material that is actually investigated by this approach.
6 Thus, importance need to be attached to the construction of the supercell.
7 Three basic types of supercells to compose the initial Si bulk lattice, which can be scaled by integers in the different directions, are considered.
8 The basis vectors of the supercells are shown in Fig. \ref{fig:simulation:sc}.
9 \begin{figure}[t]
10 \begin{center}
11 \subfigure[]{\label{fig:simulation:sc1}\includegraphics[width=0.3\textwidth]{sc_type0.eps}}
12 \subfigure[]{\label{fig:simulation:sc2}\includegraphics[width=0.3\textwidth]{sc_type1.eps}}
13 \subfigure[]{\label{fig:simulation:sc3}\includegraphics[width=0.3\textwidth]{sc_type2.eps}}
14 \end{center}
15 \caption{Basis vectors of three basic types of supercells used to create the initial Si bulk lattice.}
16 \label{fig:simulation:sc}
17 \end{figure}
18 Type 1 (Fig. \ref{fig:simulation:sc1}) constitutes the primitive cell.
19 The basis is face-centered cubic (fcc) and is given by $x_1=(0.5,0.5,0)$, $x_2=(0,0.5,0.5)$ and $x_3=(0.5,0,0.5)$.
20 Two atoms, one at $(0,0,0)$ and the other at $(0.25,0.25,0.25)$ with respect to the basis, generate the Si diamond primitive cell.
21 Type 2 (Fig. \ref{fig:simulation:sc2}) covers two primitive cells with 4 atoms.
22 The basis is given by $x_1=(0.5,-0.5,0)$, $x_2=(0.5,0.5,0)$ and $x_3=(0,0,1)$.
23 Type 3 (Fig. \ref{fig:simulation:sc3}) contains 4 primitive cells with 8 atoms and corresponds to the unit cell shown in Fig. \ref{fig:sic:unit_cell}.
24 The basis is simple cubic.
26 In the following an overview of the different simulation procedures and respective parameters is presented.
27 These procedures and parameters differ depending on whether classical potentials or {\em ab initio} methods are used and on what is going to be investigated.
29 \section{DFT calculations}
30 \label{section:simulation:dft_calc}
32 The first-principles DFT calculations are performed with the plane-wave-based Vienna {\em ab initio} simulation package ({\textsc vasp}) \cite{kresse96}.
33 The Kohn-Sham equations are solved using the GGA utilizing the exchange-correlation functional proposed by Perdew and Wang (GGA-PW91) \cite{perdew86,perdew92}.
34 The electron-ion interaction is described by norm-conserving ultra-soft pseudopotentials as implemented in {\textsc vasp} \cite{vanderbilt90}.
35 An energy cut-off of \unit{eV} is used to expand the wave functions into the plane-wave basis.
36 Sampling of the Brillouin zone is restricted to the $\Gamma$ point.
37 Spin polarization has been fully accounted for.
38 The electronic ground state is calculated by an interative Davidson scheme \cite{davidson75} until the difference in total energy of two subsequent iterations is below \unit[$10^{-4}$]{eV}.
40 Defect structures and the migration paths have been modeled in cubic supercells of type 3 containing 216 Si atoms.
41 The conjugate gradiant algorithm is used for ionic relaxation.
42 The cell volume and shape is allowed to change using the pressure control algorithm of Parinello and Rahman \cite{parrinello81} in order to realize constant pressure simulations.
43 Due to restrictions by the {\textsc vasp} code, {\em ab initio} MD could only be performed at constant volume.
44 In MD simulations the equations of motion are integrated by a fourth order predictor corrector algorithm for a timestep of \unit{fs}.
46 % todo
47 % All point defects are calculated for the neutral charge state.
49 Most of the parameter settings, as determined above, constitute a tradeoff regarding the tasks that need to be addressed.
50 These parameters include the size of the supercell, cut-off energy and $k$ point mesh.
51 The choice of these parameters is considered to reflect a reasonable treatment with respect to both, computational efficiency and accuracy, as will be shown in the next sections.
52 Furthermore, criteria concerning the choice of the potential and the exchange-correlation (XC) functional are being outlined.
53 Finally, the utilized parameter set is tested by comparing the calculated values of the cohesive energy and the lattice constant to experimental data.
55 \subsection{Supercell}
57 Describing defects within the supercell approach runs the risk of a possible interaction of the defect with its periodic, artificial images.
58 Obviously, the interaction reduces with increasing system size and will be negligible from a certain size on.
59 \begin{figure}[t]
60 \begin{center}
61 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{si_self_int_thesis.ps}
62 \end{center}
63 \caption{Defect formation energies of several defects in c-Si with respect to the size of the supercell.}
64 \label{fig:simulation:ef_ss}
65 \end{figure}
66 To estimate a critical size the formation energies of several intrinsic defects in Si with respect to the system size are calculated.
67 An energy cut-off of \unit{eV} and a $4\times4\times4$ Monkhorst-Pack $k$-point mesh \cite{monkhorst76} is used.
68 The results are displayed in Fig. \ref{fig:simulation:ef_ss}.
69 The formation energies converge fast with respect to the system size.
70 Thus, investigating supercells containing more than 56 primitive cells or $112\pm1$ atoms should be reasonably accurate.
72 \subsection{Brillouin zone sampling}
74 Throughout this work sampling of the BZ is restricted to the $\Gamma$ point.
75 The calculation is usually two times faster and half of the storage needed for the wave functions can be saved since $c_{i,q}=c_{i,-q}^*$, where the $c_{i,q}$ are the Fourier coefficients of the wave function.
76 As discussed in section \ref{subsection:basics:bzs} this does not pose a severe limitation if the supercell is large enough.
77 Indeed, it was shown \cite{dal_pino93} that already for calculations involving only 32 atoms energy values obtained by sampling the $\Gamma$ point differ by less than \unit[0.02]{eV} from calculations using the Baldereschi point \cite{baldereschi73}, which constitutes a mean-value point in the BZ.
78 Thus, the calculations of the present study on supercells containing $108$ primitive cells can be considered sufficiently converged with respect to the $k$-point mesh.
80 \subsection{Energy cut-off}
82 To determine an appropriate cut-off energy of the plane-wave basis set a $2\times2\times2$ supercell of type 3 containing $32$ Si and $32$ C atoms in the 3C-SiC structure is equilibrated for different cut-off energies in the LDA.
83 % todo
84 % mention that results are within lda
85 \begin{figure}[t]
86 \begin{center}
87 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sic_32pc_gamma_cutoff_lc.ps}
88 \end{center}
89 \caption{Lattice constants of 3C-SiC with respect to the cut-off energy used for the plane-wave basis set.}
90 \label{fig:simulation:lc_ce}
91 \end{figure}
92 Fig. \ref{fig:simulation:lc_ce} shows the respective lattice constants of the relaxed 3C-SiC structure with respect to the cut-off energy.
93 As can be seen, convergence is reached already for low energies.
94 Obviously, an energy cut-off of \unit{eV}, although the minimum acceptable, is sufficient for the plane-wave expansion.
96 \subsection{Potential and exchange-correlation functional}
98 To find the most suitable combination of potential and XC functional for the C/Si system a $2\times2\times2$ supercell of type 3 of Si and C, both in the diamond structure, as well as 3C-SiC is equilibrated for different combinations of the available potentials and XC functionals.
99 To exclude a possibly corrupting influence of the other parameters highly accurate calculations are performed, i.e. an energy cut-off of \unit{eV} and a $6\times6\times6$ Monkhorst-Pack $k$-point mesh is used.
100 Next to the ultra-soft pseudopotentials \cite{vanderbilt90} {\textsc vasp} offers the projector augmented-wave method (PAW) \cite{bloechl94} to describe the ion-electron interaction.
101 The two XC functionals included in the test are of the LDA \cite{ceperley80,perdew81} and GGA \cite{perdew86,perdew92} type as implemented in {\textsc vasp}.
103 \begin{table}[t]
104 \begin{center}
105 \begin{tabular}{l r c c c c c}
106 \hline
107 \hline
108  & & USPP, LDA & USPP, GGA & PAW, LDA & PAW, GGA & Exp. \\
109 \hline
110 Si (dia) & $a$ [\AA] & 5.389 & 5.455 & - & - & 5.429 \\
111          & $\Delta_a$ [\%] & \unit[{\color{green}0.7}]{\%} & \unit[{\color{green}0.5}]{\%} & - & - & - \\
112        & $E_{\text{coh}}$ [eV] & -5.277 & -4.591 & - & - & -4.63 \\
113        & $\Delta_E$ [\%] & \unit[{\color{red}14.0}]{\%} & \unit[{\color{green}0.8}]{\%} & - & - & - \\
114 \hline
115 C (dia) & $a$ [\AA] & 3.527 & 3.567 & - & - & 3.567 \\
116          & $\Delta_a$ [\%] & \unit[{\color{green}1.1}]{\%} & \unit[{\color{green}0.01}]{\%} & - & - & - \\
117        & $E_{\text{coh}}$ [eV] & -8.812 & -7.703 & - & - & -7.374 \\
118        & $\Delta_E$ [\%] & \unit[{\color{red}19.5}]{\%} & \unit[{\color{orange}4.5}]{\%} & - & - & - \\
119 \hline
120 3C-SiC & $a$ [\AA] & 4.319 & 4.370 & 4.330 & 4.379 & 4.359 \\
121          & $\Delta_a$ [\%] & \unit[{\color{green}0.9}]{\%} & \unit[{\color{green}0.3}]{\%} & \unit[{\color{green}0.7}]{\%} & \unit[{\color{green}0.5}]{\%} & - \\
122        & $E_{\text{coh}}$ [eV] & -7.318 & -6.426 &  -7.371 & -6.491 & -6.340 \\
123        & $\Delta_E$ [\%] & \unit[{\color{red}15.4}]{\%} & \unit[{\color{green}1.4}]{\%} & \unit[{\color{red}16.3}]{\%} & \unit[{\color{orange}2.4}]{\%} & - \\
124 \hline
125 \hline
126 \end{tabular}
127 \end{center}
128 \caption[Equilibrium lattice constants and cohesive energies of fully relaxed structures of Si, C (diamond) and 3C-SiC for different potentials and XC functionals.]{Equilibrium lattice constants and cohesive energies of fully relaxed structures of Si, C (diamond) and 3C-SiC for different potentials (ultr-soft PP and PAW) and XC functionals (LDA and GGA). Deviations of the respective values from experimental values are given. Values are in good (green), fair (orange) and poor (red) agreement.}
129 \label{table:simulation:potxc}
130 \end{table}
131 Table \ref{table:simulation:potxc} shows the lattice constants and cohesive energies obtained for the fully relaxed structures with respect to the utilized potential and XC functional.
132 As expected, cohesive energies are poorly reproduced by the LDA whereas the equilibrium lattice constants are in good agreement.
133 Using GGA together with the ultra-soft pseudopotential yields improved lattice constants and, more importantly, a very nice agreement of the cohesive energies to the experimental data.
134 The 3C-SiC calculations employing the PAW method in conjunction with the LDA suffers from the general problem inherent to LDA, i.e. overestimated binding energies.
135 Thus, the PAW \& LDA combination is not pursued.
136 Since the lattice constant and cohesive energy of 3C-SiC calculated by the PAW method using the GGA are not improved compared to the ultra-soft pseudopotential calculations using the same XC functional, this concept is likewise stopped.
137 To conclude, the combination of ultr-soft pseudopotentials and the GGA XC functional are considered the optimal choice for the present study.
139 \subsection{Lattice constants and cohesive energies}
141 As a last test, the equilibrium lattice parameters and cohesive energies of Si, C (diamond) and 3C-SiC are again compared to experimental data.
142 However, in the current calculations, the entire parameter set as determined in the beginning of this section is applied.
143 \begin{table}[t]
144 \begin{center}
145 \begin{tabular}{l c c c}
146 \hline
147 \hline
148  & Si (dia) & C (dia) & 3C-SiC \\
149 \hline
150 $a$ [\AA] & 5.458 & 3.562 & 4.365 \\
151 $\Delta_a$ [\%] & 0.5 & 0.1 & 0.1 \\
152 \hline
153 $E_{\text{coh}}$ [eV] & -4.577 & -7.695 & -6.419 \\
154 $\Delta_E$ [\%] & 1.1 & 4.4 & 1.2 \\
155 \hline
156 \hline
157 \end{tabular}
158 \end{center}
159 \caption{Equilibrium lattice constants and cohesive energies of Si, C (diamond) and 3C-SiC using the entire parameter set as determined in the beginning of this section.}
160 \label{table:simulation:paramf}
161 \end{table}
162 Table \ref{table:simulation:paramf} shows the respective results and deviations from experiment.
163 A nice agreement with experimental results is achieved.
164 Clearly, a competent parameter set is found, which is capabale of describing the C/Si system by {\em ab initio} calculations.
166 % todo
167 % rewrite dft chapter
168 % ref for experimental values!
170 \section{Classical potential MD}
172 fast method, amoun tof atoms ...
174 \subsection{Tersoff vs. Erhart-Albe SiC potential}
176 \subsection{Temperature and volume control}
179 \subsection{Test calculations}
181 Give cohesive energies of Si, C (Dia) and (3C-)SiC and the respective lattice parameters ...
183 \subsection{3C-SiC precipitate in crystalline silicon}
184 \label{section:simulation:prec}
186 A spherical 3C-SiC precipitate enclosed in a c-Si surrounding is constructed.
188  as it is expected from IBS experiments and from simulations that finally succeed in simulating the precipitation event.
189 On the one hand this sheds light on characteristic values like the radial distribution function or the total amount of free energy for such a configuration that is aimed to be reproduced by simulation.
190 On the other hand, assuming a correct alignment of the precipitate with the c-Si matrix, properties of such precipitates and the surrounding as well as the interface can be investiagted.
191 Furthermore these investigations might establish the prediction of conditions necessary for the simulation of the precipitation process.
193 To construct a spherical and topotactically aligned 3C-SiC precipitate in c-Si, the approach illustrated in the following is applied.
194 A total simulation volume $V$ consisting of 21 unit cells of c-Si in each direction is created.
195 To obtain a minimal and stable precipitate 5500 carbon atoms are considered necessary.
196 This corresponds to a spherical 3C-SiC precipitate with a radius of approximately 3 nm.
197 The initial precipitate configuration is constructed in two steps.
198 In the first step the surrounding silicon matrix is created.
199 This is realized by just skipping the generation of silicon atoms inside a sphere of radius $x$, which is the first unknown variable.
200 The silicon lattice constant $a_{\text{Si}}$ of the surrounding c-Si matrix is assumed to not alter dramatically and, thus, is used for the initial lattice creation.
201 In a second step 3C-SiC is created inside the empty sphere of radius $x$.
202 The lattice constant $y$, the second unknown variable, is chosen in such a way, that the necessary amount of carbon is generated and that the total amount of silicon atoms corresponds to the usual amount contained in the simulation volume.
203 This is entirely described by the system of equations \eqref{eq:md:constr_sic_01}
204 \begin{equation}
205 \frac{8}{a_{\text{Si}}^3}(
206 \underbrace{21^3 a_{\text{Si}}^3}_{=V}
207 -\frac{4}{3}\pi x^3)+
208 \underbrace{\frac{4}{y^3}\frac{4}{3}\pi x^3}_{\stackrel{!}{=}5500}
209 =21^3\cdot 8
210 \label{eq:md:constr_sic_01}
211 \text{ ,}
212 \end{equation}
213 which can be simplified to read
214 \begin{equation}
215 \frac{8}{a_{\text{Si}}^3}\frac{4}{3}\pi x^3=5500
216 \Rightarrow x = \left(\frac{5500 \cdot 3}{32 \pi} \right)^{1/3}a_{\text{Si}}
217 \label{eq:md:constr_sic_02}
218 \end{equation}
219 and
220 \begin{equation}
221 %x^3=\frac{16\pi}{5500 \cdot 3}y^3=
222 %\frac{16\pi}{5500 \cdot 3}\frac{5500 \cdot 3}{32 \pi}a_{\text{Si}}^3
223 %\Rightarrow
224 y=\left(\frac{1}{2} \right)^{1/3}a_{\text{Si}}
225 \text{ .}
226 \label{eq:md:constr_sic_03}
227 \end{equation}
228 By this means values of 2.973 nm and 4.309 \AA{} are obtained for the initial precipitate radius and lattice constant of 3C-SiC.
229 Since the generation of atoms is a discrete process with regard to the size of the volume the expected amounts of atoms are not obtained.
230 However, by applying these values the final configuration varies only slightly from the expected one by five carbon and eleven silicon atoms, as can be seen in table \ref{table:md:sic_prec}.
231 \begin{table}[!ht]
232 \begin{center}
233 \begin{tabular}{l c c c c}
234 \hline
235 \hline
236  & C in 3C-SiC & Si in 3C-SiC & Si in c-Si surrounding & total amount of Si\\
237 \hline
238 Obtained & 5495 & 5486 & 68591 & 74077\\
239 Expected & 5500 & 5500 & 68588 & 74088\\
240 Difference & -5 & -14 & 3 & -11\\
241 Notation & $N^{\text{3C-SiC}}_{\text{C}}$ & $N^{\text{3C-SiC}}_{\text{Si}}$
242          & $N^{\text{c-Si}}_{\text{Si}}$ & $N^{\text{total}}_{\text{Si}}$ \\
243 \hline
244 \hline
245 \end{tabular}
246 \caption{Comparison of the expected and obtained amounts of Si and C atoms by applying the values from equations \eqref{eq:md:constr_sic_02} and \eqref{eq:md:constr_sic_03} in the 3C-SiC precipitate construction approach.}
247 \label{table:md:sic_prec}
248 \end{center}
249 \end{table}
251 After the initial configuration is constructed some of the atoms located at the 3C-SiC/c-Si interface show small distances, which results in high repulsive forces acting on the atoms.
252 Thus, the system is equilibrated using strong coupling to the heat bath, which is set to be $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.
253 Once the main part of the excess energy is carried out previous settings for the Berendsen thermostat are restored and the system is relaxed for another 10 ps.
255 \begin{figure}[!ht]
256 \begin{center}
257 \includegraphics[width=12cm]{pc_0.ps}
258 \end{center}
259 \caption[Radial distribution of a 3C-SiC precipitate embeeded in c-Si at $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.]{Radial distribution of a 3C-SiC precipitate embeeded in c-Si at $20\,^{\circ}\mathrm{C}$. The Si-Si radial distribution of plain c-Si is plotted for comparison. Green arrows mark bumps in the Si-Si distribution of the precipitate configuration, which do not exist in plain c-Si.}
260 \label{fig:md:pc_sic-prec}
261 \end{figure}
262 Figure \ref{fig:md:pc_sic-prec} shows the radial distribution of the obtained precipitate configuration.
263 The Si-Si radial distribution for both, plain c-Si and the precipitate configuration show a maximum at a distance of 0.235 nm, which is the distance of next neighboured Si atoms in c-Si.
264 Although no significant change of the lattice constant of the surrounding c-Si matrix was assumed, surprisingly there is no change at all within observational accuracy.
265 Looking closer at higher order Si-Si peaks might even allow the guess of a slight increase of the lattice constant compared to the plain c-Si structure.
266 A new Si-Si peak arises at 0.307 nm, which is identical to the peak of the C-C distribution around that value.
267 It corresponds to second next neighbours in 3C-SiC, which applies for Si as well as C pairs.
268 The bumps of the Si-Si distribution at higher distances marked by the green arrows can be explained in the same manner.
269 They correspond to the fourth and sixth next neighbour distance in 3C-SiC.
270 It is easily identifiable how these C-C peaks, which imply Si pairs at same distances inside the precipitate, contribute to the bumps observed in the Si-Si distribution.
271 The Si-Si and C-C peak at 0.307 nm enables the determination of the lattic constant of the embedded 3C-SiC precipitate.
272 A lattice constant of 4.34 \AA{} compared to 4.36 \AA{} for bulk 3C-SiC is obtained.
273 This is in accordance with the peak of Si-C pairs at a distance of 0.188 nm.
274 Thus, the precipitate structure is slightly compressed compared to the bulk phase.
275 This is a quite surprising result since due to the finite size of the c-Si surrounding a non-negligible impact of the precipitate on the materializing c-Si lattice constant especially near the precipitate could be assumed.
276 However, it seems that the size of the c-Si host matrix is chosen large enough to even find the precipitate in a compressed state.
278 The absence of a compression of the c-Si surrounding is due to the possibility of the system to change its volume.
279 Otherwise the increase of the lattice constant of the precipitate of roughly 4.31 \AA{} in the beginning up to 4.34 \AA{} in the relaxed precipitate configuration could not take place without an accompanying reduction of the lattice constant of the c-Si surrounding.
280 If the total volume is assumed to be the sum of the volumes that are composed of Si atoms forming the c-Si surrounding and Si atoms involved forming the precipitate the expected increase can be calculated by
281 \begin{equation}
282  \frac{V}{V_0}=
283  \frac{\frac{N^{\text{c-Si}}_{\text{Si}}}{8/a_{\text{c-Si of precipitate configuration}}}+
284  \frac{N^{\text{3C-SiC}}_{\text{Si}}}{4/a_{\text{3C-SiC of precipitate configuration}}}}
285  {\frac{N^{\text{total}}_{\text{Si}}}{8/a_{\text{plain c-Si}}}}
286 \end{equation}
287 with the notation used in table \ref{table:md:sic_prec}.
288 The lattice constant of plain c-Si at $20\,^{\circ}\mathrm{C}$ can be determined more accurately by the side lengthes of the simulation box of an equlibrated structure instead of using the radial distribution data.
289 By this a value of $a_{\text{plain c-Si}}=5.439\text{ \AA}$ is obtained.
290 The same lattice constant is assumed for the c-Si surrounding in the precipitate configuration $a_{\text{c-Si of precipitate configuration}}$ since peaks in the radial distribution match the ones of plain c-Si.
291 Using $a_{\text{3C-SiC of precipitate configuration}}=4.34\text{ \AA}$ as observed from the radial distribution finally results in an increase of the initial volume by 0.12 \%.
292 However, each side length and the total volume of the simulation box is increased by 0.20 \% and 0.61 \% respectively compared to plain c-Si at $20\,^{\circ}\mathrm{C}$.
293 Since the c-Si surrounding resides in an uncompressed state the excess increase must be attributed to relaxation of strain with the strain resulting from either the compressed precipitate or the 3C-SiC/c-Si interface region.
294 This also explains the possibly identified slight increase of the c-Si lattice constant in the surrounding as mentioned earlier.
295 As the pressure is set to zero the free energy is minimized with respect to the volume enabled by the Berendsen barostat algorithm.
296 Apparently the minimized structure with respect to the volume is a configuration of a small compressively stressed precipitate and a large amount of slightly stretched c-Si in the surrounding.
298 In the following the 3C-SiC/c-Si interface is described in further detail.
299 One important size analyzing the interface is the interfacial energy.
300 It is determined exactly in the same way than the formation energy as described in equation \eqref{eq:defects:ef2}.
301 Using the notation of table \ref{table:md:sic_prec} and assuming that the system is composed out of $N^{\text{3C-SiC}}_{\text{C}}$ C atoms forming the SiC compound plus the remaining Si atoms, the energy is given by
302 \begin{equation}
303  E_{\text{f}}=E-
304  N^{\text{3C-SiC}}_{\text{C}} \mu_{\text{SiC}}-
305  \left(N^{\text{total}}_{\text{Si}}-N^{\text{3C-SiC}}_{\text{C}}\right)
306  \mu_{\text{Si}} \text{ ,}
307 \label{eq:md:ife}
308 \end{equation}
309 with $E$ being the free energy of the precipitate configuration at zero temperature.
310 An interfacial energy of 2267.28 eV is obtained.
311 The amount of C atoms together with the observed lattice constant of the precipitate leads to a precipitate radius of 29.93 \AA.
312 Thus, the interface tension, given by the energy of the interface devided by the surface area of the precipitate is $20.15\,\frac{\text{eV}}{\text{nm}^2}$ or $3.23\times 10^{-4}\,\frac{\text{J}}{\text{cm}^2}$.
313 This is located inside the eperimentally estimated range of $2-8\times 10^{-4}\,\frac{\text{J}}{\text{cm}^2}$ \cite{taylor93}.
315 Since the precipitate configuration is artificially constructed the resulting interface does not necessarily correspond to the energetically most favorable configuration or to the configuration that is expected for an actually grown precipitate.
316 Thus annealing steps are appended to the gained structure in order to allow for a rearrangement of the atoms of the interface.
317 The precipitate structure is rapidly heated up to $2050\,^{\circ}\mathrm{C}$ with a heating rate of approximately $75\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$.
318 From that point on the heating rate is reduced to $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$ and heating is continued to 120 \% of the Si melting temperature, that is 2940 K.
319 \begin{figure}[!ht]
320 \begin{center}
321 \includegraphics[width=12cm]{fe_and_t_sic.ps}
322 \end{center}
323 \caption{Free energy and temperature evolution of a constructed 3C-SiC precipitate embedded in c-Si at temperatures above the Si melting point.}
324 \label{fig:md:fe_and_t_sic}
325 \end{figure}
326 Figure \ref{fig:md:fe_and_t_sic} shows the free energy and temperature evolution.
327 The sudden increase of the free energy indicates possible melting occuring around 2840 K.
328 \begin{figure}[!ht]
329 \begin{center}
330 \includegraphics[width=12cm]{pc_500-fin.ps}
331 \end{center}
332 \caption{Radial distribution of the constructed 3C-SiC precipitate embedded in c-Si at temperatures below and above the Si melting transition point.}
333 \label{fig:md:pc_500-fin}
334 \end{figure}
335 Investigating the radial distribution function shown in figure \ref{fig:md:pc_500-fin}, which shows configurations below and above the temperature of the estimated transition, indeed supports the assumption of melting gained by the free energy plot.
336 However the precipitate itself is not involved, as can be seen from the Si-C and C-C distribution, which essentially stays the same for both temperatures.
337 Thus, it is only the c-Si surrounding undergoing a structural phase transition, which is very well reflected by the difference observed for the two Si-Si distributions.
338 This is surprising since the melting transition of plain c-Si is expected at temperatures around 3125 K, as discussed in section \ref{subsection:md:tval}.
339 Obviously the precipitate lowers the transition point of the surrounding c-Si matrix.
340 This is indeed verified by visualizing the atomic data.
341 % ./visualize -w 640 -h 480 -d saves/sic_prec_120Tm_cnt1 -nll -11.56 -0.56 -11.56 -fur 11.56 0.56 11.56 -c -0.2 -24.0 0.6 -L 0 0 0.2 -r 0.6 -B 0.1
342 \begin{figure}[!ht]
343 \begin{center}
344 \begin{minipage}{7cm}
345 \includegraphics[width=7cm,draft=false]{sic_prec/melt_01.eps}
346 \end{minipage}
347 \begin{minipage}{7cm}
348 \includegraphics[width=7cm,draft=false]{sic_prec/melt_02.eps}
349 \end{minipage}
350 \begin{minipage}{7cm}
351 \includegraphics[width=7cm,draft=false]{sic_prec/melt_03.eps}
352 \end{minipage}
353 \end{center}
354 \caption{Cross section image of atomic data gained by annealing simulations of the constructed 3C-SiC precipitate in c-Si at 200 ps (top left), 520 ps (top right) and 720 ps (bottom).}
355 \label{fig:md:sic_melt}
356 \end{figure}
357 Figure \ref{fig:md:sic_melt} shows cross section images of the atomic structures at different times and temperatures.
358 As can be seen from the image at 520 ps melting of the Si surrounding in fact starts in the defective interface region of the 3C-SiC precipitate and the c-Si surrounding propagating outwards until the whole Si matrix is affected at 720 ps.
359 As predicted from the radial distribution data the precipitate itself remains stable.
361 For the rearrangement simulations temperatures well below the transition point should be used since it is very unlikely to recrystallize the molten Si surrounding properly when cooling down.
362 To play safe the precipitate configuration at 100 \% of the Si melting temperature is chosen and cooled down to $20\,^{\circ}\mathrm{C}$ with a cooling rate of $1\,^{\circ}\mathrm{C}/\text{ps}$.
363 However, an energetically more favorable interface is not obtained by quenching this structure to zero Kelvin.
364 Obviously the increased temperature run enables structural changes that are energetically less favorable but can not be exploited to form more favorable configurations by an apparently yet too fast cooling down process.