能源问题是关系国民经济和环境保护的重大问题。目前能源利用率仍很低,大量的能量以废热的形式被浪费,因此废热的处理和利用对于解决能源危机问题具有重大意义。另一方面,集成电子器件密度的增长,发热密度的增大使散热问题成为目前微电子器件的一个巨大瓶颈。近些年,纳米结构材料的发展为解决以上问题提供了新的机遇。纳米材料的典型代表-石墨烯,因其超高的热导率和超柔等特性被广泛应用于热能的调控、管理和转化领域。当器件的尺寸进入纳米量级,许多传统的热输运理论不再适用。因此,研究纳米尺度下石墨烯的热输运性质对解决石墨烯在热能管理和转化领域的应用具有重大的意义。本文围绕解决以上问题,主要内容安排如下:首先,近些年来,人们已经对热二极管、晶体管、热逻辑门和热存储器等声子(热)器件进行了广泛的研究。在集成电路中,动态可调电阻器是必不可少的电子元器件。然而与其相对应的可调热阻器的研究却不够深入。本文首次设计了基于折叠石墨烯的瞬时可调热阻器。通过理论分析和分子动力学模拟,我们发现了折叠石墨烯的声子尺寸效应和声子弯折散射效应。基于这两种效应我们研究了热阻率与折叠石墨烯总长度以及相邻弯折之间距离的依赖关系。此外,本文还探讨了在实验上实现瞬时可调热阻器的可能性。本文设计的可调热阻器不仅为声子学器件增加了新成员,而且为二维材料热导率的调控提供了新的应用方向。其次,石墨烯中不同声子群的热导率贡献对于理解石墨烯具有超高热导率具有重要意义,因此引起了传热界的广泛关注。我们使用非平衡态分子动力学模拟研究了石墨烯中不同声子群的热导率贡献和其尺寸效应。研究结果表明,石墨烯中平面内声子群对热导率的贡献占主导;垂直于平面声子群与平面内声子群的热导率均与系统尺寸的关系均为κ～logL。此外,我们发现石墨烯的总热导率和不同声子群热导率之和近似相等,由此可推断石墨烯的平面内声子群与垂直于平面声子群之间耦合作用很弱。该结果与最近实验研究的结论一致。接着,如何理解和定量描述声子-声子耦合作用是传热领域未被探究的基础问题,而且设计具有高热导率的石墨烯复合材料需要深入理解纳米尺寸石墨烯不同声子群之间的耦合。此处提及的声子-声子耦合作用不同于晶格动力学中描述的非简谐多声子散射,而是指不同声子群之间的弱耦合作用。我们从声子玻尔兹曼输运方程出发,第一次将双温度模型推广用于研究声子-声子耦合作用,并且提出了定量描述耦合强度的全新物理量:耦合因子和耦合长度。同时,我们成功地利用双温度模型和分子动力学模拟研究了石墨烯中平面内声子群与垂直于平面声子群之间的耦合作用。研究发现,石墨烯平面内声子群与垂直于平面声子群之间的耦合作用很弱,因此两声子群之间很难进行热能传递,即存在很大的内部热阻。该热阻是石墨烯复合材料热导率不理想的关键原因之一。此外,石墨烯两声子群的耦合长度存在明显的尺寸依赖关系。本文的研究不仅为理解二维材料中声子输运提供了全新的视角和理论基础,而且耦合因子和耦合长度可以为设计具有高热导率石墨烯复合材料提供新的思路和指导。最后,有机材料极低的热导率有利于提高热电效率,但其几乎电绝缘的特性严重限制了其在热电领域的应用。我们提出了在保持低热导率的前提下,调制电输运性质,从而实现高效热电转换的新思路。在层状类石墨烯碳化氮材料中,π-π轨道耦合使得电子输运能力得以提高。基于第一性原理电子结构计算和经典分子动力学模拟,我们计算了层状碳化氮材料沿垂直于层间方向的ZT值,其最大值高达0.67。优异的ZT来源于π-π轨道耦合引起的低维电子能带结构和垂直于层间方向功率因子的主导地位。在本文中,我们主要研究了有机半导体碳化氮热导率和热导率的温度依赖关系。