随着电子工业的指数级发展,集成电路正快速向小型化和高密度集成的方向发展,在芯片的功能和性能得到提升的同时,需要更加快速且密集的互连来实现。互连线是集成电路中的重要组成部分,但是随着集成密度的增加,互连线的电阻会随着截面尺寸变小而增大,而且互连线的线间距的缩小,也会直接导致电容的增加,除了引入信号时延、线间串扰等问题,互连电阻的增大还会使系统的热稳定性降低,因此碳纳米材料因为其优异的电热特性,正逐渐成为互连结构应用中的热点。本文首先根据碳纳米材料的物理结构和能带结构,分别对单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和石墨烯建立了电学模型,并对其他温度相关的参数,比如热导率,比热容进行了计算提取。基于提取的特性参数,建立了单壁碳纳米管互连线的一维模型,分析了其瞬态热传导问题,并对单壁碳纳米管束局部互连线进行了建模仿真。对于多壁碳纳米管,建模分析了其独特的负电阻温度系数,并分别建立了互连线的一维和二维模型,分析讨论了稳态下的电热问题,其中考虑了碳纳米材料参数的各向异性特征。对于石墨烯互连线,根据朗道公式和玻尔兹曼输运模型分别提取了其电学参数,对多层石墨烯局部互连线进行了电热耦合分析,并比较了掺杂多层石墨烯和中性石墨烯的性能差异。基于玻尔兹曼方程,分析了多层石墨烯的奇异趋肤效应,并和正常趋肤效应进行了比较。最后建立了三维异质互连结构,包括水平互连线和垂直硅通孔,并在此模型上比较分析了碳纳米互连和传统铜互连之间的电热性能优劣。本论文的建模研究和电热特性分析对碳纳米互连设计具有指导意义。