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随着集成电路三极管密度的不断提升和微机电系统尺寸的不断减小,热耗散问题变得越来越突出。尤其是当目前芯片的三极管尺寸降低到7纳米时,热耗散能力成为限制芯片性能最重要的因素,因为此时芯片产生的功率密度在100 W/cm2以上,若不能及时传递出来温度会很高从而影响其寿命和稳定性。现代半导体工业是基于硅材料,室温下体态晶体硅的热导率能达到150 W/m-K,其中有70%多的贡献来自于平均自由程超过100纳米的声子。然而芯片中三极管的尺寸普遍小于100纳米,因为材料的热输运属性在体态和在纳米尺寸时存在很大差异,故而研究纳尺度材料中的热输运属性变得很有意义。材料尺寸的降低除了改变材料内部的热输运属性外,也使得界面处的热输运属性变得尤为重要,这是因为尺寸的减小会导致面体积比的增大。本文通过格林函数方法研究了热载流子声子在界面处的输运属性;利用分子动力学模拟和第一性原理计算等方法研究了能量在各向异性低维材料中的输运属性。研究能量输运属性的目的是为了控制能量的输运,本文利用第一性原理方法研究了基于铁电材料固固相变的热开关,开关的通和闭通过电场引起的结构相变控制。对于能量的应用除了调控其输运属性外,本文还研究了在外加电场作用下基于铁电材料的电制冷过程,并深入分析了电制冷过程中的熵变信息。对于能量在界面处的输运属性,本文利用原子格林函数方法研究了压强、接触形式和接触面积对声子透射率和界面热阻的影响。关于压强对界面热输运的影响,本文研究的对象是多层石墨烯。计算结果表明法向10 GPa的压强能够大幅增加声子的透射率和降低4倍的层间界面热阻。与法向压强相比,面内压强对层间热阻的影响可以忽略不计。关于接触形式对界面热输运的影响,本文研究的对象是平行接触碳管。计算结果表明随着管间重叠长度的增加,偏置平行接触碳管的管间热阻线性降低,原因是有更多的原子参加到界面热传导。在同样重叠长度时,嵌套平行接触碳管的界面热阻比偏置平行接触的要低。通过分析声子透射率的频谱发现径向呼吸模式是管间热传递主要的模式。比较不同手性碳管、不同接触形式碳管的界面热输运情况发现,降低管间界面热阻有两种方法一是使用同一手性的碳管二是设计能够使更多原子参与到界面热输运的接触形式。关于接触面积对界面热输运的影响,本文研究的对象是由多层石墨烯构成的范德华界面。计算结果表明当接触尺寸从几个原子增加到几平方纳米时,单位面积的界面热导不是一个常数而是随着接触面积的增加而增加,原因是单位面积的声子透射率增加。通过计算界面处耦合的平均原子对数发现,单位面积界面热导增加的原因是界面处每个原子能够进行热传输的通道数目增加了。除了能量在界面处的输运属性外,本文还利用分子动力学模拟和第一性原理计算等方法研究了能量在各向异性低维材料中的输运属性。对于二维范德华层状材料多层石墨烯或者石墨,模拟结果表明瞬态热输运由相关方向上的弹性常数决定而稳态热输运由弹性常数和声子散射共同决定。在瞬态热输运中,温度分布是偏平的椭圆形;在稳态热输运中,基面内的声子模式控制着除法向之外其他方向上的热输运过程。对于准一维范德华纳米线Ta2Pd3Se8,实验结果表明室温下纳米线有13μm长的弹道热输运,等能面的第一性原理计算表明如此长距离的弹道热输运是由纵向声子的高度聚焦引起的。第一性原理的计算结果预测随着纳米线根数的增加,热导率先降低后上升,而且单根纳米线的热导率比体态值要高,这些预测与最近的实验结果相符合。了解了能量的输运属性之后,本文利用第一性原理研究了如何控制能量的输运。本文首次提出了基于铁电材料钛酸钡order-disorder相变的热开关,原理是在外部电场作用下材料中随机分布的极化（类似于无定型材料）会对齐成沿同一个方向分布的极化（类似于晶体型材料）。计算结果表明有序结构相较于无序结构而言,热导率提高了3.9倍,原因是结构更简单声子散射更小。电场能够使得无序结构转换成有序结构,继续增加电场,有序结构的热导率能够最多增加2.4倍,原因是结构的非谐性降低。考虑以上两个因素,钛酸钡的热导率在外部电场作用下由于结构变化最多有9.4倍的变化。研究结果还表明有两个因素可以提高基于铁电材料热开关的开关比:电场作用下结构应该是单铁畴的;相变类型应该是order-disorder的。除了对能量输运快慢的研究之外,本文还研究了能量输运方向的调控,主要聚焦在电制冷方面。本文利用第一性原理方法计算了等温过程中钛酸铅和锆钛酸铅在电场作用下的振动熵变及其引起的绝热温变。对于钛酸铅,计算发现,依赖于电场施加的方向,熵变既有正值也有负值。在Ericsson循环中结合正和负的电制冷效应,室温1000 kV/cm作用下冷却能量密度可提高3.2倍。对于50/50组分的锆钛酸铅,沿着[001]、[011]和[111]方向分别施加电场,计算发现[001]方向有最大的电制冷系数。对于钛酸铅和锆钛酸铅,振动熵变及其引起的绝热温变与报道的实验值和模拟值相当,表明电场作用下结构响应引起的电制冷效应是总电制冷效应中很重要的一部分。最后本文利用3ω方法测量了钛酸锶和钪酸镝的热导率,分别为9.5 W/m-K和2.5W/m-K,与实验报道值接近。另外还进行了热导率测量过程中的灵敏度和误差分析。