热能是一把双刃剑。一方面,对热能的操控与利用是人们赖以生存的基础。而另一方面,当今世界的许多实际技术的应用均受到热能的困扰。计算机处理器、锂电池等高能量密度的功能性器件的发热问题随着微纳电子器件的集成度越来越高已经严重影响了器件的工作效率、稳定性以及工作寿命。为了应对这一挑战,人们期望寻找到热导率更高的材料从而实现高效的功能器件热管理。此外,日益严重的环境污染、能源短缺等问题则督促人们寻找更加清洁、高效的能量转化方式。因此,热电材料因其能够直接实现热能与电能的相互转换而备受关注。然而,具有高转化效率的热电材料则通常要求材料的热导率尽可能的低。要同时兼顾这两个方向的发展,就势必需要对不同尺度下的热量传导、转化等问题具有更加深入细致的理解。这使得热能科学成为当今科学界广泛关注的一个研究领域。本文的研究内容以纳米尺度热传导及相关物理现象为中心,主要研究了与热传导息息相关的两个大方向,即:热电能量转换与声子热输运机理。本文首先研究了不同尺度下的声子热输运机理。通过第一性原理计算结合线性玻尔兹曼输运方程,我们将非简谐效应考虑到声子输运计算中,同时提出了一种区分弹道-扩散热输运的有效判据条件。我们首先定性的验证了该判据在单晶硅和石墨烯纳米带中的有效性。随后,基于这一判据我们进一步研究了16种具有面心立方结构的III-V族二元化合物的弹道-扩散热输运机理,并考虑了材料尺寸、温度以及声子结构的不同对弹道-扩散热导率的影响。与此同时,我们还研究了声子结构的声光带隙与弹道-扩散热输运比率之间的关系。我们发现,具有较大声光带隙的材料往往具有更大的弹道输运比率,这意味着在尺寸、温度等参量减小时,这类材料中的声子输运行为更容易进入弹道输运区域。这一判据条件为更加深入的理解声子输运行为提供了一种方便的方法。进一步的,我们以纳米尺度器件为基础,研究了其声子热输运机理及其应用。类比于电子的量子干涉效应,我们借助非平衡格林函数方法从理论上预测了居间耦合分子结中的声子破坏性干涉效应同样存在。不仅如此,理论计算的结果指出,居间耦合分子结的转动自由度能够对声子干涉效应的强度进行连续的调节。而在不同扭转角下,居间耦合分子结对不同模式的声子具有显著的选择性阻塞效应。这导致平面外声子模式的透射被完全抑制,而面内声子模式的透射则能够通过扭转角度进行进一步调节。最终,分子结的热导能够被显著抑制,其热电优值则获得显著增强。不同于强耦合分子结,居间耦合分子结在两个关键连接位点之间的构型是连续可调的,这一结果为更加可控的利用量子干涉效应设计分子器件提供了非常有价值的理论依据。同时,我们也对新型热电转换机理进行了探索。目前,基于Seebeck效应的热电材料已经得到了十分广泛的研究。然而,由于决定其热电优值的参数之间的复杂耦合关系,热电材料的转化效率仍未能达到商业化大规模使用的要求。因此,我们从理论上提出了一种基于固体界面热泳效应和压电效应相结合的热电能量转换机制。该机制不同于Seebeck效应以及热释电效应,并且它同样能够通过固体界面热泳效应以及压电效应将热能转化为电能。通过简化的理论模型,分子动力学模拟,我们首先从理论和数值计算的角度验证该想法的可行性。进一步的有限元方法的数值计算则表明,在热泳效应驱动下的二维压电材料的输出电压能够高达3.49V。最后,我们还积极寻找更加简单的的材料结构以实现热驱动的热-压电能量转换。通过在垂直站立纳米线上引入梯度结构,我们在理论上验证了具有梯度结构的纳米线能够在相同温度条件下产生比无梯度结构的纳米线更大的偏转幅度。我们还进一步研究了衬底厚度、衬底缺陷、纳米线直径、温度对梯度结构纳米线偏转幅度的影响。我们发现改变衬底的结构特性能够显著影响纳米线的偏转方向。与此同时,梯度结构纳米线对纳米线的直径变化十分敏感。在直径较小时,梯度结构的引入会抑制纳米线的偏转幅度,而直径较大时结果则恰好相反。这一结果为更加可控的热驱动的热-压电能量转化过程的实现提供了更加简单的方法。