随着科学研究的深入和加工技术的发展,比传统器件更高效、更环保、集成度更高以及拥有全新功能的纳米器件逐渐面世。然而,在实现这些模型和器件功能的过程中,聚集在器件周围的热量成为了影响纳米器件工作效率、稳定性以及器件寿命的重要因素。如何控制和管理纳米结构中热量的传输,同时研究热量激发的声子对纳米器件中电子输运的影响变得越来越急迫和重要。另一方面,如果能利用某些热电转换机制将纳米器件工作产生的热量直接转换为电能进行回收利用那将是一件两全其美的事情。事实上,环境污染、能源短缺等日益凸显的问题也在督促着人们寻找和改进有效的能量转换机制来将大自然中丰富的热能转化成能被人们利用的电能。再者,将热量视为一种信号,设计并制造热功能器件也展现了诱人的前景。本论文以准一维纳米结构为基础,以热量为中心,开展了热量输运、热电转换以及电声相互作用三方面的研究。在热量输运方面,我们首先利用核壳纳米线提出了纳米热缆的概念,然后利用非对称纳米线提出了一种重要的热整流机制,为人们控制和管理热量输运提供了非常有效的手段;在热电转换方面,我们利用自由站立(Free-standing)的压电纳米线中的压电效应提出了一种新型的热电转换机制,其优势非常显著;而在电声相互作用方面,我们采用一种非常直观的方法研究了石墨烯纳米带中的晶格振动以及其对电子和自旋输运的影响,由于实验上一般无法避免声子的存在,该工作为今后在实验上实现理论预言以及解释实验结果与理论预言之间的差异提供了指导。具体地说,我们做了以下研究:首先,我们利用非平衡分子动力学模拟系统地研究了 InAs/GaAs和GaAs/InAs两种核壳纳米线中的热流分布。计算结果表明InAs/GaAs(以InAs为核心,GaAs为壳层)核壳纳米线中的热流倾向于从壳层通过,而GaAs/InAs核壳纳米线中的热流倾向于从核心通过,而且核心和壳层的界面几乎没有热流通过,从而将核心与壳层分成了两个几乎独立的并且平行的热输运通道。此外,我们提出了一个简单的方程来描述核心和壳层两个热输运通道单独传热时的热导与合并在一起以后的热导的关系。这些研究表明核壳纳米线可以充当良好的纳米热缆。其次,我们研究了阶梯型纳米线中不对称的热输运性质,同时揭示了驻波在这种特殊结构中的存在和作用。详细地说,当纳米线直径大的一端加高温,直径小的一端加低温时,体系中的热流总是很大;而当温差颠倒以后,体系中的热流会比较小。更重要的是,当直径小的一端加高温时,我们可以通过控制纳米线的长度使得体系中出现驻波。一旦驻波形成,热流会进一步降低,整个体系的热整流效应也因此大大增强,热整流比可以达到165%。这些研究说明了驻波是实现热整流效应的一个重要机制,同时也展现了阶梯型纳米线充当热整流器件的巨大潜力。接着,我们将阶梯型纳米线中得到的现象和结论推广到了更广泛的非对称纳米线中。我们还通过观察不同时刻纳米线中原子的位置排布得到了驻波的轮廓、频率以及波长,对驻波有了更全面的认识。此外,我们发现热整流效应的显著提升不仅与驻波的形成有关,还得益于形成驻波的振动模式的共振。驻波的形成使得一支振动模式变得局域,而共振的出现使得整个纳米线有了一定程度的弯曲,增强了其他频率声子传输过程中的散射,从而共同导致了热导的降低和热整流效应的增强。然后,我们运用晶格动力学理论结合分子动力学模拟提出并证实了一种新型热电转换机制,即利用热量驱动自由站立的压电纳米线中的压电效应,实现热能到电能的转换。该热电转换机制不同于传统的热电效应和压电效应,它不但能充分利用自然界丰富的热能,还能输出具有交流特性的电势差。此外,通过控制纳米线的尺寸和施加温差的大小,可以控制输出电势差的大小。我们还通过有限元分析证明了该机制下输出的压电势与用机械能触发的压电效应产生的压电势大小相当。最后,我们提出了一种组合的方法,即运用晶格动力学、分子动力学以及第一性原理和非平衡格林函数方法,研究了声子对石墨烯纳米带中电子和自旋输运的影响。研究表明声子对纳米器件中的电子输运具有多方面的影响。首先,由于晶格振动的连续性,所有纳米带的电导都会随着时间的变化而上下波动。其次,沿宽度方向镜面对称的Zigzag型石墨烯纳米带的电导会由于声子的存在而增强;沿宽度方向没有镜面对称性的Zigzag型石墨烯纳米带的电导会由于声子的存在而降低;与此同时,存在于镜面对称的Zigzag型石墨烯纳米带中的自旋过滤效应会由于声子的存在而被削弱。该工作提出的组合方法能将所有声子以及声子间的相互作用同时考虑在内,充分展示了声子对纳米器件中电子输运的多方面影响。