低维结构中声子输运不仅具有基础研究价值,也为微纳热学材料和器件的研制提供新思路。声子单向输运是声子输运调控的重要方面,可以直接应用于热整流器(thermal rectifier)和声二极管(acoustic diode)等,同时也将促进声子计算、超声成像等领域的发展。本论文从理论和实验两个方面研究低维结构中声子单向输运和热整流效应。首先,我们基于非线性原子链的运动方程和哈密顿量,通过解析推导和第一性计算理论证实声子频率梳的激发在非线性体系中广泛存在。在此基础上,我们提出了一种连接线性原子链和非线性原子链的两段式模型,利用声子频率梳来实现声子输运整流。理论计算发现,如果声子频率梳的激发频率高于线性链的截止频率,以该频率对一维链进行驱动时,能量无法直接在线性链中传输;如果从非线性链一侧进行驱动时,由于声子频率梳被激发,输入能量被部分转移到对应的声子本征模式中,可以在线性链中传输,从而实现了声子单向输运。其次,我们提出了缺陷型一维原子链模型,通过在非线性链中设置质量缺陷,使缺陷靠近原子链的一端,利用缺陷模式的局域性实现能量单向输运。在此基础上,我们设计了双缺陷模型,在非线性原子链的左右两端设置非对称缺陷。理论计算证实,通过选择驱动频率,可以决定能量输运的方向,从而实现多通道可选择的声子单向输运。此外,我们还发现缺陷的设置对声子频率梳的直接非线性共振(direct nonlinear resonance,DNR)激发也有一定选择作用。最后,我们搭建了基于超快光学泵浦探测原理的时域热反射(Time-domain Thermoreflectance,TDTR)实验平台,测量了石墨烯作为界面层的热导性质,以及单双层石墨烯与金属铝之间界面热导对温度的响应曲线。利用界面效应和不同材料热导率对温度的依赖关系,我们设计出由铝、石墨烯、硅等组成的多层结构以实现热整流。由于对石墨烯外加电压调节其费米面,可以改变载流子浓度并影响界面热效应,我们期望在此基础上对热整流实现动态调控。总之,本论文从理论上探讨了在一维链结构中利用声子频率梳实现整流的可能性,并理论证实其多通道的声子单向输运特性和整流效应;实验上利用自行搭建的时域热反射系统测量出石墨烯的热学性质;在实验基础上给出了基于石墨烯的多层结构实现热整流的方案。相关研究拓展了人们对声子频率梳的认识,同时发展了实现声二极管和声三极管的低维体系,也拓展了实现热整流的低维结构,为调控声子输运和实现声子信息处理等提供新的科学思路。