随着全球经济的迅猛发展,世界能源危机日益严峻,能源的有效利用已经成为当今社会的重大挑战之一。废热回收利用和电子器件散热问题是两个急需解决的能源问题。热电材料能够直接将废热转换为电能,从而提高能源利用效率；热界面材料可以提高电子器件中界面处的散热效率。纳米材料在能源有效利用和可持续发展方面展示了其独特的潜力,尤其是一维纳米材料在热电转换和电子器件散热方面具有广阔的应用前景。由于声子边界散射增强,Si纳米线具有非常低的热导率,是一种潜在的纳米热电材料；而由于独特的结构,碳纳米管中几乎不存在声子边界散射,使其具有非常高的热导率,成为潜在的热界面材料。尽管存在以上优势,Si纳米线热电材料的热电转换效率还不足以大规模应用,而由于界面热阻的存在,碳纳米管热界面材料的散热效率也比较低。由于声子散射增强,经过修饰的si纳米线复合结构的热导率可以进一步降低,从而获得更大的热电转换效率。因此,有必要对这两种一维纳米复合结构中的能量输运进行进一步的研究。本论文进行了三方面的工作,分别对Si纳米线修饰结构的热输运性质,碳纳米管和Si基体之间的界面热导以及端部约束碳纳米管中低频机械波的热激发机理进行了研究,总体采用非平衡态分子动力学模拟方法。为了进一步提高Si纳米线热电材料的能量转换效率,对三种Si纳米线修饰结构的热导率进行了研究,这三种修饰结构分别为：(1)表面分散纳米粒子的si纳米线;(2)内部填充纳米粒子的Si纳米线；以及(3)核壳结构的Si纳米线。能量转换效率的提高用Si纳米线修饰结构热导率的降低来表征。论文研究了表面分散纳米粒子的面积覆盖率和布置方式,内部填充纳米粒子的类型以及壳层结构的类型对Si纳米线热导率的影响。结果表明,相对于纯的Si纳米线,经过修饰的纳米复合结构具有非常低的热导率(最大降低了82%),这就意味着热电转换效率提高了5倍。论文将热导率的大大降低归因于两个方面：(1)声子边界散射的增强；(2)界面声子干涉的发生。计算结果为纳米热电材料中能量转换效率的提高提出了实验上可行的新方式。分别对垂直和水平布置的(10,10)单壁碳纳米管和si基体之间的界面热导进行了研究。论文研究了界面能,热流方向,碳纳米管长度和系统温度对界面热导的影响以及不同方向的晶格振动对界面总热流密度的相对贡献。通过比较碳纳米管到Si基体和Si基体到碳纳米管两种热流方向下的界面热导,结果表明界面热导存在热整流效应,尤其对于水平布置的碳纳米管,当热流密度达到60W/m时,热整流效应高达184%,说明碳纳米管水平放置在Si基体上的结构是一种潜在的热整流器。通过声子相关的分析可以说明,对于热流由Si流向碳纳米管,界面热导随着热流密度的增加而增加是由于热流密度增加使碳纳米管和Si基体之间的晶格振动更加匹配；而对于热流由碳纳米管流向Si,大热流密度下激发出的低频声子模式对界面热输运起主导作用,是热整流效应产生的主要原因。此外,论文提出了一种简单有效的方法来定量地描述各个方向的晶格振动对总界面热流密度的相对贡献。无论是热流由碳纳米管流向Si还是由Si流向碳纳米管,碳纳米管-Si界面处的面外晶格振动都对总热流密度起主要贡献,面内晶格振动贡献较小。这种方法可以用来分析不同声子支对热流的相对贡献,从而识别纳米尺度能量传递的机理。研究了夹在两个si基体之间的单壁碳纳米管在定常的高热流密度下的热输运行为。观察到一个异常的波状总动能分布,并首次对这种高热流密度下碳纳米管中激发出的低频横向声学机械波主导的能量输运机理进行了研究。这种一维低频机械波传递的能量被定量地表示为施加的总热流密度的函数,并和传统的傅立叶热传导传递的能量进行了对比。结果表明,在低热流密度下,傅立叶热传导在能量输运中占主导,低频机械波的贡献可以忽略；然而,随着热流密度的增加,低频机械波被激发出来,并在能量输运中占主导,使碳纳米管能够有效地传递更多的能量。论文提出了高热流密度下低维纳米结构(如一维纳米管和纳米线)中一种新的能量输运机理,这种机理可以用于研究微／纳米电子器件在高热流密度下的散热问题。