全球能源资源的日益减少和人类对能源需求的不断提高,始终威胁着人类的可持续发展。目前,人类对能源的利用效率较低,大部分能源以废热的形式被浪费掉。热电技术能够将废热直接转换成电能,促进废热的二次利用,是提高能源利用效率的有效手段。同时,随着电子器件集成度的快速提高,发热功率显著增强,电子器件的散热成为制约其进一步发展的瓶颈所在。得益于纳米技术的迅猛发展,材料合成、加工向微纳尺度快速推进,使人类能够在更大的维度上调控材料的热学性质。相较于传统体块材料中的宏观热输运,低维体系的热输运存在很多不同之处。因此,研究低维体系中新颖的热输运规律和调控方式,既具备重要的科学意义,也能为解决上述问题提供新的途径。在各向同性体块材料中实现超低热导率的同时,不影响其电学性质,也保证结构易于制备,是热电研究的主要思路之一。我们提出了基于纳米线和纳米结的硅纳米笼结构。该结构既有效结合了硅纳米线的低维优势,又具备各项同性的三维体块特性,更易于实际应用。通过分子动力学模拟,我们发现硅纳米笼的热导率,不仅比体硅低三个数量级,而且比硅纳米线还低一个数量级。基于声子振动模式的分析表明,硅纳米结中声子波动性的局域共振杂化效应,是导致其热导率下降的主要原因。同时,我们发现局域共振杂化的发生,不需要体系具备周期性,与声子晶体完全不同。硅纳米笼的超低热导率能大幅提升热电优值,加上易于制备,具有很大的热电应用潜力。为了证明纳米结效应不依赖特定材料,我们研究了由石墨烯纳米带构成的石墨烯纳米结中的声子输运。分子动力学计算和声子振动模式分析表明,石墨烯纳米结中同样出现了声子局域共振杂化效应。更有意思的是,通过轻或重同位素替换,改变石墨烯纳米结中侧带原子质量后,石墨烯纳米结的热导率出现了反常的增加。这是由于同位素替换改变了局域共振声子的频率,而传播声子的频率基本保持不变,共振声子和传播声子频率的不匹配,导致了杂化破损。通过纳米线或纳米带构成纳米结后,其物理边界形态的变化,必然会引起额外的声子粒子性散射。清晰了解纳米结中声子波动性的局域共振杂化和粒子性的散射对热导率的影响,有助于我们更好的优化调控其热导率。然而,声子波动效应和粒子效应耦合在一起,对其独立的量化研究成为困扰研究人员的难题。基于蒙特卡洛和非平衡格林函数方法,我们量化了硅纳米结中声子的波动和粒子效应对热导率的影响。研究结果表明,在硅纳米结中起主要作用的虽然是声子波动性的局域共振杂化效应,但基于声子粒子性的散射仍然占有不可忽视的比重;当硅纳米结中纳米线的横截面积为17.72 nm~2时,其粒子效应占比达0.39。该研究不仅表明协同调控声子波动和粒子输运的重要性,也为进一步精准调控材料热导率打下了基础。除了产生局域共振杂化外,声子波动输运还能产生梯度特性。梯度功能材料一般由两种或两种以上的组分构成,通过连续改变组分的占比,实现其功能的梯度特性。我们通过分子动力学模拟计算发现,组分单一、均匀的碳纳米锥,是热的梯度功能材料。碳纳米锥的热导率沿着径向从锥顶到锥底,按对数规律逐渐增大。基于声子功率谱和原子振动位置的分析表明,这种反常的现象是由于靠近锥顶部分每个原子上的平均声子模式密度较大,导致声子之间产生了更多波动性的相消干涉,使得顶部比底部热导率低。本文针对低维体系热输运,提出了基于纳米结的调控方式,观察到了梯度热导率现象。研究结果具备普遍性,对进一步促进低维体系的热电应用具有重要意义。