光电子器件发展的趋势是小型化、集成化,但所伴随的发热问题也很突出。严重的发热问题会降低光电子器件的工作效率,甚至会减损光电子器件的使用寿命。因此,光电子器件的发热问题亟需解决。对于这一情况,2013年麻省理工学院的Maldovan教授提出了热晶体的概念,为光电子器件散热问题的解决提供了一种全新的思路。目前,对热晶体的研究主要集中于提高其绝热性能方面。其中,热晶体所面临的最大挑战在于普通半导体材料的热声子频率范围十分宽广而热晶体所对应的热带隙范围十分狭窄,这是影响热晶体绝热性能的主要原因。除此之外,对热晶体相关特性进行求解的理论模型也亟需完善。因此,本论文改进了热晶体内热流传输的理论模型,研究了影响热晶体绝热性能的相关因素,并提出了提高其绝热性能的方法。事实证明,提高热晶体的绝热性能将有助于对热能的操控管理,通过对热晶体进行结构设计可以实现对光电子器件所产生热量的定向疏导。本论文在完成的过程中受到了国家自然科学基金项目的资助。具体的研究工作如下:a)总结并完善了热晶体的理论模型。对于热晶体基体材料热导率的计算,本论文针对其中的一些参数提出了相关的计算公式。另外,在热晶体基体材料热频谱的求解过程中,本论文提出了热晶体基体材料热频谱的计算公式。在热晶体能带结构的求解过程中,本论文首次将热晶体对于热声子的传输解耦为XY模式和Z模式,并在此基础上提出了其热透过率的计算公式。b)研究了不同半导体材料热频谱之间的相关规律以及以其作为基体材料热晶体薄膜的热带隙特性,主要包括碳、硅、锗和锡。结果显示,随着原子序数的增大,半导体材料的热频谱逐渐向低频方向转移,而以其作为基体材料的热晶体薄膜的热带隙频率范围也逐渐向低频方向转移。除此之外,我们还发现随着空气孔半径的增大以及晶格常数的减小,热晶体薄膜的热带隙频率范围也逐渐增大。其中,随着晶格常数的减小,热晶体薄膜的热带隙频率范围还会向高频方向转移,两者之间呈现反比的关系。另外,热晶体薄膜在Z模式下的热带隙频率范围大于XY模式下的热带隙频率范围。经过比较,当我们选择10μm厚度的碳薄膜或者1μm厚度的硅、锗或锡薄膜并且选择晶格常数为2nm且空气孔半径选择r=0.48a时,热晶体薄膜可以将基体材料的热导率降低最多为19.6%。最后,我们研究了以半导体材料作为基体材料的热晶体薄膜线缺陷波导对热流的传输情况,结果表明以纯半导体材料作为基体材料的热晶体薄膜线缺陷波导传输热流的效率很低。c)研究了结构单元内空气孔形状对热晶体薄膜热带隙的影响。为了兼顾实际制备的情况,我们将基体材料从纯半导体材料薄膜替换为了掺杂锗纳米颗粒的硅锗合金薄膜并适当增大了晶格常数。数值结果显示,不同椭圆空气孔形状下热晶体薄膜的热带隙相比圆形空气孔形状热晶体薄膜的热带隙基本都有不同程度的展宽。其中,厚度为1mm、晶格常数为5nm、空气孔半长轴长度为0.48a、离心率为0.808的双椭圆叠加而成的十字型空气孔形状的热晶体薄膜的热带隙频率范围是圆形空气孔形状热晶体薄膜热带隙频率范围的2倍以上,其可以将降低基体材料热导率的幅度从圆形空气孔的15.07%提高至24.46%,这相当于将热晶体薄膜降低基体材料热导率的幅度提高了62%。d)设计了一种超晶格热晶体一维结构来提升热晶体薄膜降低基体材料热导率的幅度。数值结果显示,如果以单晶硅作为基体材料,这种结构可以将热晶体薄膜的热带隙频率范围展宽1倍。而如果以掺杂锗纳米颗粒的硅锗合金作为基体材料,这种结构可以将热晶体薄膜的热带隙频率范围展宽3倍,从而可以将热晶体薄膜降低基体材料热导率的幅度提高到60%。我们基于这种结构设计了一种超晶格热晶体薄膜线缺陷波导。结果显示,大多数的热流都被局限在了波导内进行传播,从而实现了波导对热流的引导传输。e)设计了一种二维椭圆微腔来调控光发射。结果表明,这种二维椭圆微腔的局域态密度与其开口尺寸以及离心率有关。当开口尺寸为0.56a（a为椭圆微腔的半长轴长度）、离心率为0.95时,这种二维椭圆微腔可以将自发辐射谱的半高宽扩展至原来的2倍,并且这种二维椭圆微腔可以适用于任何高斯形状的自发辐射谱。与此相对,研究了类似的二维热晶体椭圆微腔对热辐射的调控。结果表明,热晶体椭圆微腔在一定程度上可以抑制一定频率范围内热声子的传输,从而增强了热辐射在微腔内的存储效果。当热晶体降低基体材料热导率的幅度得到极大的提高后,可以实现很多新奇的应用。比如,利用热晶体的负折射效果实现热成像以及热隐身,或者利用热晶体和光子晶体的相似性实现高效的光热耦合。未来,热晶体将会像光子晶体或者声子晶体一样,实现对热流的操控和管理。