$\beta$-As、Sb和Bi单层的热电性质

具有类石墨烯屈曲结构的VA族元素（As、Sb、Bi）单层半导体为实现纳米级电子、光电和热电设备提供了潜力。受最近制备的Sb单层的启发，我们结合第一性原理计算和半经典玻尔兹曼输运理论，系统研究了$\beta$-As、Sb和Bi单层的热电性质。电子部分采用广义梯度近似（GGA）加自旋轨道耦合（SOC），声子部分采用GGA。发现SOC对其电子结构有重要影响，特别是对Bi单层，可在电子传输系数上诱导可观的SOC效应。更具体地说，SOC不仅对电子传输系数有不利影响，还产生增强效应。计算得到的晶格热导率从As到Bi单层逐渐降低，相应的室温面热导率为161.10 $\mathrm{W K^{-1}}$、46.62 $\mathrm{W K^{-1}}$和16.02 $\mathrm{W K^{-1}}$，可通过除以二维材料厚度转换为常见晶格热导率。Bi单层的面热导率低于其他二维材料，如半导体过渡金属硫族化物单层和正交IV-VI族单层。采用一系列散射时间估算热电优值$ZT$。发现对于As和Bi单层，n型掺杂比p型掺杂具有更优异的热电性质，而在Bi单层中也观察到n型和p型掺杂之间可比的$ZT$。这些结果可激励进一步的实验工作，为基于VA族元素单层的热电设备开辟新领域。