热电材料是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能之间相互转换的功能材料。热电材料在应用时不需要使用传动部件,工作时无噪音、无排弃物,和太阳能、风能、水能等二次能源一样,对环境没有污染,并且这种材料性能稳定,使用寿命长,是一种具有广泛应用前景的环保材料。在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有重要的意义。近年来纳米合成技术的发展为寻找新型高性能热电材料开辟了一个新的天地。低维度纳米结构材料具有不同于传统块体材料的结构特征和物理性质,低维材料的表面局域效应也影响着材料内部载流子的传导行为。半导体硅是一种含量丰富,制备工艺简单,使用广泛的基础材料,因此对硅基纳米结构热电材料的研究也将具有很高的应用价值。本论文利用第一性原理的计算方法结合半经典的玻耳兹曼输运理论,对硅/锗纳米线的热电性能进行了深入系统地研究,获得如下创新性结果:1.揭示了硅纳米线优异热电性能的物理机制:由于块体硅与硅纳米线具有相似的成键特征,因此硅纳米线的电输运系数(功率因子)与体材料硅相比差别不大;而空间局域效应使硅纳米线的晶格振动行为发生明显变化,对晶格热传导影响显著,与块体硅相比,硅纳米线的声子群速度与声子散射时间减小,从而导致硅纳米线的晶格热导率显著降低,这是硅纳米线具有优异热电性能的根源。2.预言了锗/硅核壳结构纳米线的高热电性能:通过设计核壳结构的锗/硅纳米线,达到了增强核壳异质界面处声子散射的作用,使核壳结构的锗/硅纳米线具有比硅纳米线更低的晶格热导率,其热电最优值在室温下可以达到0.85,明显高于实验报导的常温下硅纳米线的热电最优值0.36。3.设计了具有高热电性能的硅/锗超晶格纳米线:由于超晶格结构中的能带偏移,增强了量子局域效应,使费米面附近的能带变得平缓,电子态密度较为陡峭,从而导致硅/锗超晶格纳米线具有较高的热电势,理论计算发现室温下硅/锗超晶格纳米线的热电最优值超过1.0,是一种潜在的优异热电材料。通过改变硅/锗超晶格纳米线的结构参数,如纳米线直径、超晶格周期、硅锗原子比例等,对电子传导进行积极的调控,从而进一步提高硅/锗超晶格纳米线的热电优值。