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近年来，低维纳米材料由于具有大的体表比和量子尺寸效应，展现了丰富的随尺寸变化的物理化学性质，有望组装各种新型纳米功能材料和器件，得到了科学工作者们的广泛关注。由金属元素和有机芳香基（如苯环，Bz）或者反芳香基（如环辛四烯，COT）构成的有机金属化合物展示了丰富的电磁性质和催化行为，可望在纳米复合材料、纳米光电磁器件以及高选择性催化剂等方面具有重要的应用价值。本论文通过基于第一性原理的密度泛函理论研究了各种有机过渡金属、有机镧系金属三明治团簇以及它们的一维无限长纳米线，探索这类化合物的生长机制和键合规则，研究其稳定性和电磁性质的物理根源，以及几何形态和电子结构对体系非线性光学性质的影响等。主要包括以下几个方面：
研究了ConBzm(N,m=1-4)在不同尺寸上的结构，电子性质和磁性质。发现在n=1-2时，团簇具有三明治构型；在(N,m）=(2,3)时，三明治构型和饭团构型的能量几乎是简并的；在n＞2时，团簇具有饭团构型，其中，(3,3),(4，4)要比(3,4)具有更大的结合能和HOMO-LUMO能隙，而那些小尺寸的三明治结构(N,n+1)则具有较大的动能稳定性。计算得到Co nBzm(N,m=1-4)的电离能与实验符合的很好，并发现实验上测得的磁矩实际上是具有简并能量的异构体及其不同自旋态的平均值。分析表明ConBzm化合物的磁矩主要来自Co原子，苯环上只存在很小的磁矩。在小尺寸上(n=1-3)上，Co原子之间是铁磁耦合的，但是在(4,4)上，Co原子之间是反铁磁耦合的。另外，相对于Con团簇而言，Co,,Bzm化合物的磁矩大大降低了，说明Bz对Con的磁矩起削弱的作用。我们结合有限场方法，研究了上述两类团簇(sandwich和riceball)的静态非线性光学性质（偶极矩和极化率）。总体上，这些团簇的偶极矩相对来说都比较大，其总极化率随着团簇尺寸的增大快速增大，而平均的极化率在(N,n+1)时表现出奇偶振荡的特征。研究还发现极化率与团簇的形状有着很大的依赖关系，三明治构型比饭团构型的极化率及其各向异性都要大一些。此外，团簇的电子结构包括HOMO-LUMO能隙，电离能以及团簇体积都对其极化率有一定的影响。
研究了Vn(C60)m，(N,m）=(1,1)，(1,2),(2,3)，(3,4),(4，4)的结构、电子性质和磁性质。我们考虑了各种结构构型的稳定性（包括V原子与C60的C6环相连、C5环相连，以及线性和非线性构型），结果发现当(N,m）=(N,n+1)时，团簇具有线性的三明治构型（V原子均与C6环相连），且它们的非线性异构体的能量与基态相差很小。在(1,1)，中，V原子和C60上的C5环相连，而在(4,4)中，团簇具有饭团结构（V原子与C6环相连）。除了(4，4),V(C60)2的HOMO-LUMO能隙以及垂直电离能都很大，且在其他较大尺寸的(除了(4,4)HOMO和LUMO轨道上有明显的“V(C60)2”的组分，说明它是一个很稳定的单元，可以当成其它大尺寸化合物的构成基元。除了VC60,Vn(C60)m在较大尺寸上的磁矩都很低，当有奇数个V原子时，团簇的磁矩是1μB，而当有偶数个V原子时，团簇的磁矩是0μB。
利用相对论密度泛函理论研究了有机镧系金属化合物EunCOTn+1(n=1-4)的几何特征和电磁性质。发现这些团簇具有很好的热力学稳定性，其中，COT分子可以绕三明治团簇的中心轴自由地转动。团簇的总磁矩随着Eu原子的个数是线性增加的，其中，平均每个Eu原子提供约7μB的磁矩。处在团簇内部的COT的局域磁矩非常小，可以忽略；而位于团簇两边的COT约有1μB的局域磁矩，其方向与Eu原子上的磁矩方向是相反的。EunCOT,,+1团簇的总磁矩可以用表达式7n-2 μB(n是Eu原子的个数）来描述。虽然这些团簇的基态是铁磁态，但它们与反铁磁态的能量非常接近，这说明其自旋稳定性很差。研究还发现Eu与内部COT之间是离子性结合，而与两端COT是离子-共价结合共存，这种结合方式是相当稳定的。这种奇特的结合方式可以通过对团簇进行加减电荷得以证实：在阳离子中，原来处于离子结合的内部也出现了离子-共价结合共存；而在阴离子中，随着阴离子价态的增加，原来处于两端的离子-共价结合逐渐转变为离子结合。
研究了由过渡金属原子(TM=V，Ti，Sc,Mn)与二茂铁分子(ferrocene=FeCp2)构成的TMn(ferrocene),,+1(=1-3)团簇及其一维无限长(n=8）纳米线的几何结构和稳定性、电子性质和磁性质。结果发现团簇中Fe-Cp的结合比其它过渡金属原子TM-Cp的结合都强，说明它们是一种“poly-ferrocene”型的三明治化合物。TMn(FeCp2)n+1(TM=V，Ti,Mn)的总磁矩随着团簇尺寸是线性增加的。当n=1-3时，Tin(FeCp2)n+1和Vn(FeCp2)n+1的磁矩分别为4,8，12μB和1,6，11μB;而Scn(FeCp2)n+1团簇则是顺磁性的，即当团簇有奇数个电子时磁矩为1μB，有偶数个电子时磁矩为0μB。它们的一维无限长纳米线[TM(FeCp2)]8(TM=Ti,Sc，V，and Mn)都是铁磁半导体，带隙分别为0.361,0.506,0.51和1.310eV。其中，[V(FeCp2)]8单元的磁矩最高，达5μB。
研究了混合有机基三明治团簇VnBzmCpk(n=1-3,m+k=n+1,Bz=benzene,Cp=cyclopentadienyl)与尺寸、组分相关的几何结构、电子性质和磁性质。研究表明，所有团簇的结合能都很大，说明它们的热力学稳定性很高。而且，VnBzmCpk的稳定性与团簇中Cp基的数目有关，Cp数目越多，结合能越大。此外，当Cp基的个数相同的时候，团簇的稳定性还与Cp基在团簇中的位置有一定的依赖关系。研究进一步发现，当用Cp替代团簇中的Bz时，原来V原子中处于少子自旋轨道dd上的电子转移到了与它相邻的Cp基上，使得团簇的总磁矩增大了1μB。同时，与V,,Bzm团簇相比，这类混合团簇的自旋稳定性大大提高了。
研究了一维双金属三明治纳米线[CpTM1CpTM2]8(TMi=Ti,Cr,Fe ,TM2=Sc，V，Cr,MN,Co)的几何结构、稳定性，电子性质和磁性质。计算发现这类化合物是稳定的离子化合物，分别有2个d电子从过渡金属原子转移到了Cp基上。相对于各自的单金属纳米线，这些双金属纳米线的磁矩得到了很大的提高。这种磁增长行为来源于将2个单金属单元结合成双金属单元时，电子排布顺序发生了很大的变化。特别地，我们发现[CpTiCpCr]8，[CpFeCpCr]8, [CpCrCpCo]8以及[CpFeCpCo]8是铁磁半金属材料，即一种自旋取向的能带结构具有金属性质，另外一种自旋取向的能带具有半导体或者绝缘体的性质。从布里渊区的Gamma点上看，具有半金属性质的材料的d电子满足N0-5=5,7和N0-10＝5，7等电子填充规则（其中N0是两个过渡金属原子上的总的d电子数），它对应着Gamma点上的简并轨道(dd/dp)被半占据的情况。