能源危机和环境污染是人类面临的重大挑战。为了解决这个问题,一种将热能和电能直接相互转换的热电材料研究受到了广泛关注。衡量热电材料能量转换效率的指标为无量纲的热电优值ZT=S2σT/(κl+κe),其中S、σ、T、κL和κe分别是材料的Seebeck系数、电导率、绝对温度、晶格热导率和电子热导率。ZT值越大,材料的热电性能就越好。然而Seebeck系数S、电导率σ和电子热导率κe往往都会相互耦合在一起,导致长期以来ZT值难以有明显的提升。理论和实验研究表明,低维体系的热电性能要优于相应的块体材料。一方面是因为低维体系中的量子限制效应可以增加费米能级附近的态密度从而提高Seebeck系数;另一方面是低维材料中增大的表面积增加了声子的界面散射从而降低了晶格热导率κL。基于这方面原因,本文首先研究了 MoS2纳米带、PbTe片层以及Bi2Te3/PbTe异质结等低维体系的热电性质。我们还对最近几年受到广泛关注的块体热电材料BiCuSeO的电、热输运性质进行了深入分析和理解。此外,以SiGe化合物为例,我们还考察了电声耦合对晶格热导率的修正,并进一步考察了其对材料热电性能的影响。本文的主要内容如下:我们研究了几种不同宽度扶手椅型MoS2纳米带的电输运性质及其热电性能。由于悬挂键的存在,边缘原子发生了明显的畸变,且随着纳米带宽度的减小而增加。因为MoS2纳米带费米能级附近的电子态主要都来自边缘原子,这种畸变现象显著地影响着纳米带的带隙及电输运性质。最终,我们发现宽度较窄(N=4)的MoS2纳米带具有最好的热电性能,其n型和p型室温ZT值可分别优化到2.5和3.4。块体PbTe是一种传统的高性能热电材料,为了进一步提升其热电优值,我们考察了空间群为P-3ml的PbTe片层的电子和声子输运特性。由于具有三度旋转对称性,PbTe片层的能带结构具有多能谷特征,其价带顶具有六个等价的能谷,表明p型PbTe片层可能具有更好的热电性能。由于组成元素比较重,片层结构的声子谱中截止频率和群速度都比较小,从而导致了较低的晶格热导率。计算表明,温度为700 K时,p型体系最优ZT值可达2.0。由于具有丰富的电子和光学性质,范德华异质结近年来受到了广泛的关注。为了探索其作为热电材料应用的可能性,我们首先选取了本征热导率比较低、带隙适中以及自身热电性能较好的PbTe和Bi2Te3片层来构造异质结。尽管如此,形成异质结后体系极小的带隙(0.013 eV)使得其Seebeck系数非常低。进一步,我们通过等电子替换、施加应变等方式,发现Bi2Se3/PbSe异质结在5%压应变时具有合适的带隙(0.425eV)及较高的功率因子。相比于原始的Bi2Te3/PbTe异质结,能带工程使体系的热电性能提升了两倍之多。近年来,氧化物热电材料BiCuSeO因其优异的热电性能受到了不少关注,但人们对于其电子、声子输运特性的理解还存在一些争论,缺乏统一的认识。通过对其整个布里渊区电子色散关系的详细分析,我们发现BiCuSeO的价带顶有能量非常接近的八个能谷,有助于在提升载流子浓度的同时不降低Seebeck系数。此外,这些能谷都表现出很大的态密度有效质量,很好地解释了实验中观测到的低迁移率和较高Seebeck系数。结合声子谱分析以及第一性原理分子动力学模拟,我们认为BiCuSeO强非谐性主要来源于Cu原子,而不是之前人们普遍认为的Bi原子。有意思的是,我们发现层状材料BiCuSeO中的热输运和电输运通道是相对分离的:即(Cu2Se2)2--层主要负责材料的电输运,而(Bi202)2+层则对热输运有重要贡献。利用这个特性可以对BiCuSeO的电、热输运性质进行相对独立的调控,有望进一步提升其热电性能。以SiGe化合物为例,我们全面考察了电声耦合对晶格热导率的修正,并进一步探讨了其对于材料ZT值的影响。研究发现,载流子的弛豫时间与其浓度的依赖关系并不明显,而声子的弛豫时间随着载流子浓度的升高出现显著的下降。这意味着当载流子浓度较高时,电声耦合将使得材料晶格热导率明显减小。计算结果表明,温度为1200 K时,电声耦合使得SiGe化合物的晶格热导率降低了 21%,进而将ZT值提升了 23%。我们的理论研究不仅为理解重掺杂体系晶格热导率变化提供了新的视角,同时也强调了电声耦合对预测材料热电性能的重要性。