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本文根据声子的波粒二象性及其在纳米尺度下的热传输特性，针对性地设计了材料的纳米结构，以调控其热传导性质。分析了不同纳米结构对热传导产生不同影响的物理机制。提出了有利于提升热电材料、高温隔热材料的性能以及有利于优化二维晶体管器件的热管理的材料结构设计。
利用声子共振效应可以有效地抑制低频声子的传输，为了进一步提高声子共振的效率，我们提出了一种新颖的表面螺纹共振器用于降低硅纳米线的热导率。分子动力学的研究结果表明，硅纳米线的热导率和声子透射谱随着表面螺纹的周期密度的增加而减小，在所研究的模型中，具有高周期密度的表面螺纹最多可以将原始硅纳米线的热导率减小36%，远远大于传统共振器(比如直线纳米墙(12%)和纳米柱(15%))的抑制效果。通过与直线纳米墙作为共振器对热导率的影响的对比，螺纹作为共振器具有两大：(1)与主体纳米线结构有较大的接触面积；(2)可避免共振器连通从而丧失产生局域模的能力。
结合声子散射机制和声子的干涉效应，分别研究了组分渐变界面对一维硅/锗(Si/Ge)纳米线和二维石墨烯/氮化硼(Gr/h-BN)横向异质结构中的声子传输的影响。分子动力学结果表明纳米材料的热导率可以通过组分渐变界面的长度来调控，其热导率随着组分渐变界面长度的增大而减小。在Si/Ge纳米线中的波包分析展示了组分渐变界面可以阻碍70%的声子波包能量穿过界面，同时在组分渐变区域中发现了声子局域化现象。通过对含有不同组分渐变界面长度的Gr/h-BN异质结构的声子透射谱与界面长度关系的指数衰减拟合和声子参与率的计算，证实了含有组分渐变界面结构热导率的减小是无序化界面对声子的散射以及声子局域化共同作用的结果。最后研究发现由于Gr/h-BN结构的质量不对称性引起了热整流效应，具有突变界面的整流比最大，当引入组分渐变界面后，组分的梯度变化弱化了结构界面两侧的质量差异从而减小了其整流比。
使用平衡态分子动力学方法研究了不同侧壁宽度的三维蜂巢状碳结构的热导率，发现该结构具有导热各向异性。沿着轴向方向的热导率最大，但是由于层间连接点对声子散射的影响使其热导率远小于多层石墨烯的面内热导率；垂直于轴向平面的热导率却远大于石墨烯垂直平面方向的热导率，这是将各碳原子平面通过sp3C-C键桥连的结果。声子态密度研究表明结构中sp3C-C连接点导致了额外的光学支模式的产生。
使用多尺度模型研究了基于磷烯和硅烯二维材料晶体管的热耗散性能。使用平衡态分子动力学(EMD)方法计算了二维材料(磷烯和硅烯)与常见介电材料(非晶SiO2和TiO2)之间的界面热阻(Rint)，研究结果表明Rint和石墨烯与SiO2之间的界面热阻非常接近，且温度对热阻的影响非常微弱。将MD的计算结果作为有限元模拟的输入参数，研究在恒定输入功率下，不同二维晶体管局部热点温度的差异，评估了器件整体热耗散能力。有限元模拟表明，增加二维材料和介电材料的热导率可以改善系统的热耗散能力，然而调节Rint很难降低系统中热点的温度。最后我们证实在系统表面加入多层石墨烯有利于降低热点温度，从而显著提升系统的热耗散性能。
利用声子共振效应可以有效地抑制低频声子的传输，为了进一步提高声子共振的效率，我们提出了一种新颖的表面螺纹共振器用于降低硅纳米线的热导率。分子动力学的研究结果表明，硅纳米线的热导率和声子透射谱随着表面螺纹的周期密度的增加而减小，在所研究的模型中，具有高周期密度的表面螺纹最多可以将原始硅纳米线的热导率减小36%，远远大于传统共振器(比如直线纳米墙(12%)和纳米柱(15%))的抑制效果。通过与直线纳米墙作为共振器对热导率的影响的对比，螺纹作为共振器具有两大：(1)与主体纳米线结构有较大的接触面积；(2)可避免共振器连通从而丧失产生局域模的能力。
结合声子散射机制和声子的干涉效应，分别研究了组分渐变界面对一维硅/锗(Si/Ge)纳米线和二维石墨烯/氮化硼(Gr/h-BN)横向异质结构中的声子传输的影响。分子动力学结果表明纳米材料的热导率可以通过组分渐变界面的长度来调控，其热导率随着组分渐变界面长度的增大而减小。在Si/Ge纳米线中的波包分析展示了组分渐变界面可以阻碍70%的声子波包能量穿过界面，同时在组分渐变区域中发现了声子局域化现象。通过对含有不同组分渐变界面长度的Gr/h-BN异质结构的声子透射谱与界面长度关系的指数衰减拟合和声子参与率的计算，证实了含有组分渐变界面结构热导率的减小是无序化界面对声子的散射以及声子局域化共同作用的结果。最后研究发现由于Gr/h-BN结构的质量不对称性引起了热整流效应，具有突变界面的整流比最大，当引入组分渐变界面后，组分的梯度变化弱化了结构界面两侧的质量差异从而减小了其整流比。
使用平衡态分子动力学方法研究了不同侧壁宽度的三维蜂巢状碳结构的热导率，发现该结构具有导热各向异性。沿着轴向方向的热导率最大，但是由于层间连接点对声子散射的影响使其热导率远小于多层石墨烯的面内热导率；垂直于轴向平面的热导率却远大于石墨烯垂直平面方向的热导率，这是将各碳原子平面通过sp3C-C键桥连的结果。声子态密度研究表明结构中sp3C-C连接点导致了额外的光学支模式的产生。
使用多尺度模型研究了基于磷烯和硅烯二维材料晶体管的热耗散性能。使用平衡态分子动力学(EMD)方法计算了二维材料(磷烯和硅烯)与常见介电材料(非晶SiO2和TiO2)之间的界面热阻(Rint)，研究结果表明Rint和石墨烯与SiO2之间的界面热阻非常接近，且温度对热阻的影响非常微弱。将MD的计算结果作为有限元模拟的输入参数，研究在恒定输入功率下，不同二维晶体管局部热点温度的差异，评估了器件整体热耗散能力。有限元模拟表明，增加二维材料和介电材料的热导率可以改善系统的热耗散能力，然而调节Rint很难降低系统中热点的温度。最后我们证实在系统表面加入多层石墨烯有利于降低热点温度，从而显著提升系统的热耗散性能。