Recently, germanium nanowires (Ge NWs) have been studied extensively and a variety of applications have been reported. Moreover, lately Ge NWs are also considered as a promising material for Si-compatible photonic devices. However, similar to its bulk counterpart, most of Ge NWs have indirect band gap, which is not favorable for optical transitions. Due to quantum confinement effects, Ge NW exhibits unique properties that different with their bulk counterparts, e.g. tunable band gaps by varying the diameter. While studies about indirect-to-direct band gap engineering in bulk Ge have been extensively conducted, the studies about indirect-to-direct band gap engineering in Ge-based nanowires are still limited. In this work, we investigate the electronic structures of [111]-oriented Ge/Sn core-shell NWs through first-principles density functional calculations. The lattice mismatch between Ge and Sn induces intrinsic tensile strain on Ge core and drives an indirect-to-direct band gap transitions. The band gaps of Ge/Sn core-shell NWs can be tuned by controlling the core-to-shell ratio and the diameter of NWs. Furthermore, we show that an external tensile strain along the [111] direction can trigger indirect-to-direct band gap transitions for NWs with the intrinsically indirect band gaps. The critical strains are significantly reduced, as compare to pure Ge NWs with the diameter similar to the core sizes. The matrix element of direct optical transitions is examined and we confirm that all the direct band gaps are dipole-allowed.
최근에 Ge 나노와이어의 대한 연구를 많이 진행되고 Ge 나노와이어의 응용을 많이 발표되어 있다. 또한, 최근에 Ge 나노와이어는 실리콘 호환 광학 장치를위한 유망한 물질로 간주된다. 그러나, Ge벌크와 마찬가지로, Ge 나노와이어가 간접 밴드 특성을 갖고 있어서 광학천이에 유리하지 않다. 양자구속효과 때문에, Ge 나노와이어가 Ge 벌크랑 다르께 반지름에 따라서 밴드 갭을 조절할 수 있다. 벌크 Ge 경우에는 간접-직접 밴드 갭 전이에 대한 연구가 많이 진행되고 있지만 Ge-기반 나노와이어 경우에는 아직 많이 진행되지 않다. 이 연구에서 우리는 제일 원리 밀도 기능적 연산을 통해 Ge/Sn 코어-쉘 나노와이어의 전자 특성에 대해서 살펴보었다. Ge과 Sn의 격자 불일치가 Ge 코어에 내재 장력 변형을 유도했다. 이것으로 간접-직접 밴드갭 전이가 이루어진 것을 볼 수 있다. Ge/Sn 코어-쉘 나노와이어의 밴드 갭은 반지름과 코어-쉘 비율을 조절함으로써 조율 될 수 있다. 게다가 외부 장력 변형은 내재 되어 있는 간접 밴드갭을 가지고 있는 나노와이어에 간접-직접 밴드갭 전이를 유발할 수 있다. Ge/Sn 코어-쉘 나노와이어의 간접-직접 밴드갭 전이에 대한 필요한 장력 변형은 비슷한 코어 반지름 가지고 있는 순수한 Ge나노와이어보다 더 낮다. 쌍극자 기질 요소를 계산함으로써 이 연구에서 나온 직접 밴드 갭 가지고 있는 Ge/Sn 코어-쉘 나노와이어가 모두 이중극 허용된 천이 가지고 있는 것을 볼 수 있다.
