超高压力广泛存在于地球科学、材料合成、高温超导等领域，超高压力诱发物质发生晶格结构、电子结构和载能粒子相互作用的变化，进而使物质呈现特殊的、优异的热、电、磁等物理化学性质。超高压力条件下物质的导热机理及其导热性能的压力依存性对地球温度场的热演化、磁场的形成，高性能半导体功能材料的合成及高温超导机理的揭示等具有重要的意义。然而超高压力条件下材料的导热机理及压力对材料宏观导热性能的影响规律尚不清楚，现有研究缺乏系统性，理论研究缺少实验验证。受超高压力实验技术的制约，10GPa以上压力条件材料导热性能的实验研究也较少，多采用接触式的导热性能测试方法，存在压力低、耗时久、误差大等问题。因而本文通过实验与理论研究相结合的方式，进行了20GPa超高压力条件下半导体材料导热机理和导热性能压力依存性的研究。
　　本文搭建了时域飞秒激光抽运探测热反射法(TDTR)结合金刚石对顶砧技术(DAC)的超高压力导热实验测试系统。详细介绍了超高压力样品的制备过程和样品的压力测量。通过TDTR系统调制模块和倍频模块的优化设计降低了抽运光脉冲对有效信号的干扰，大幅提高了系统的信噪比。基于超高压样品小（百微米）和DAC样品腔结构复杂，而传统的常压TDTR实验系统难以准确定位该尺度被测样品的问题，通过高压样品台的改造以及原位成像系统的设计，实现了超高压力条件下样品的快速定位、传感层表面形貌的表征以及测试点的选择，为准确地获得超高压样品的真实热信号提供了技术保障。
　　本文建立了用于高压TDTR实验数据处理的双向传热模型，通过标准工质导热系数的测量验证了双向模型及拟合处理程序的准确性。TDTR法通过实验测试数据与理论传热模型的拟合获得未知测量参数，故需要传热模型中各自由参数在相应压力下的准确值，然而传压介质、传感层及界面热导等自由参数的高压热物性数据匮乏，因而本文基于各自由参数对TDTR信号敏感度的分析，辨别各参数的影响权重后选择相应的处理方法，降低了超高压力TDTR实验数据处理的难度。基于基底热导率和体积比热容对TDTR幅值信号和相位信号具有不同敏感度的特性，提出了同时获得基底热导率和体积比热容的两步拟合法。基于多层结构样品传热模型中未知自由参数多而无法进行TDTR实验数据处理的问题，进行了2种简化传热模型的研究，并给出了简化模型的准确度和适用性分析。这些技术的改进和数据处理方法的探索为超高压力样品导热性能的准确测量提供了技术支持。
　　本文采用搭建的TDTR+DAC实验系统分别进行了单晶Si和GaAs材料热导率以及Al/Si、Au/GaAs界面热导的压力依存性研究，实验结果表明20GPa压力范围单晶Si和GaAs热导率随压力升高而增大，Al/Si、Au/GaAs界面热导随压力升高先增大后趋于饱和。基于传热模型中各自由参数对TDTR信号的敏感度建立了超高压力TDTR+DAC系统测试的误差传递公式，通过各自由参数取值不准确度估计进行了实验测量误差的分析。
　　采用第一性原理结合玻尔兹曼方程计算了单晶Si及GaAs晶格热导率、比热容、群速度、弛豫时间和声子态密度等参数的压力依存性，初步解释了超高压对单晶Si和GaAs晶格热导率的影响机理。通过理论计算结果与实验测试结果的对比分析，验证了本文搭建的TDTR+DAC实验系统可以实现超高压力工况下的材料导热性能的测试。