由于当今世界能源短缺与环境污染问题的不断加剧,寻找绿色可再生能源问题引起了人们广泛的关注。热电材料可利用固体中载流子和声子的输运实现热能与电能的直接相互转换,是一种新型的绿色可再生能源转换材料。热电器件具有无噪音、无污染、可靠性高和使用寿命长等优点,在汽车尾气废热、工业余热和太阳能发电以及制冷等领域具有广泛的应用前景。然而目前热电器件较低的转换效率限制了热电技术只在航空航天和军事等领域使用。热电材料的转换效率通常用无量纲热电优值（ZT）来衡量:ZT值越大,材料的热电转换效率越高。随着对量子力学的深入研究,理论上的计算方法得到了不断优化,另外计算速度的快速提高,基于第一性原理对热电材料各种性质的研究已经逐渐成熟。由于理论计算不受实验条件的约束,利用第一性原理来指导和验证实验受到了人们的关注。影响热电转换效率的参数中塞贝克系数、电导率和电子热导率之间通过载流子浓度相互耦合,而对于热电参数中的晶格热导率,它和上面其它几个参数耦合较小,可以进行独立调控,因此寻找具有本征低晶格热导率的热电材料是提高ZT的有效途径之一。Zintl相材料具有“声子玻璃-电子晶体”的特点,其具有低的晶格热导率和良好的电输运性能,是潜在的高性能热电材料。这种材料结构丰富、种类繁多和组分多样,Zintl相材料的分类有很多种,根据结构上的特点Zintl相材料可被分为层状结构、链状结构、笼状结构以及无序结构等。虽然实验者对Zintl相材料做了大量的研究,但其低晶格热导率的物理根源依然未知。针对这一点,本论文基于第一性原理研究了具有低维结构（链状和层状）的Zintl相热电材料,并揭示其本征低晶格热导率的物理机制,结果如下:一、链状Zintl相Ca3AlSb3和Ca5Al2Sb6中声子输运的第一性原理研究热电材料中具有相同元素但不同化学计量比的体系,通常在热导率上会表现出不同的行为。对于具有链状结构的两种此类Zintl相体系,Ca3AlSb3和Ca5Al2Sb6,实验上却发现两者都具有低的晶格热导率且热导率非常接近。本论文从晶格动力学和声子输运的角度对其具有相似低晶格热导率的物理成因进行了研究。发现在300 K时Ca3AlSb3的平均晶格热导率(0.80 Wm-1K-1)和Ca5Al2Sb6的平均晶格热导率(0.84 Wm-1K-1)非常接近,且两者的平均晶格热导率都比较低。两者的热导率相近是因为两者的声子群速度、声子寿命和格林艾森参数都差别不大。低的平均晶格热导率主要归因于两者的三支声学支的截止频率都低于3 THz以及强的光学声子-声学声子耦合。同时Ca3AlSb3和Ca5Al2Sb6在x方向上（沿链方向）的晶格热导率是z方向（垂直于链方向）的两倍多,这是由于沿x方向有强的Al-Sb共价键所造成的。为了进一步降低体系的平均晶格热导率,利用重原子的取代来进一步降低x方向的晶格热导率。沿链方向用重元素Tl和Bi分别取代Al和Sb,发现沿链方向的势能面会显著降低,说明该方向的原子振动频率降低,可进一步降低晶格热导率。该工作阐明了Ca3AlSb3和Ca5Al2Sb6的声子输运行为的物理机制,也通过沿链方向在AlSb4四面体中重原子的取代为发现和设计低晶格热导率材料提供了理论指导。二、层状Zintl相Ba2ZnAs2和Ba2ZnSb2中声子输运的第一性原理研究基于第一性原理的声子计算,本论文还系统地研究了具有层状结构Ba2ZnX2（X=As,Sb）的声子输运特性。结果表明,Ba2ZnBi2的声子谱有虚频,说明它是动力学不稳定的,这与实验上观测到Ba2ZnBi2不稳定的结果相吻合。而对于Ba2ZnAs2和Ba2ZnSb2体系,其声子谱没有虚频,说明两种材料是动力学稳定的,在一定实验条件下可以合成。通过求解声子玻尔兹曼输运方程,发现Ba2ZnSb2具有比Ba2ZnAs2更低的声子群速度(＜4.5 kms-1)、更大的格林艾森参数、更短的声子弛豫时间（＜5.5 ps）、更低的光学模式（～1.5 THz）和更强的光学声子-声学声子耦合。这些固有的声子特性会极大地降低Ba2ZnSb2的热传输能力,从而导致Ba2ZnSb2在300 K时只有0.11 Wm-1K-1的超低热导率。此外,本论文还从弹性性质深入分析低晶格热导率来源于小的体弹模量和剪切模量。该研究讨论了Ba2ZnX2（X=As,Sb）低热导率的物理机制,这为寻找基于层状Zintl化合物的高效热电材料提供了重要的理论指导。