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金属原子或者金属团簇嵌入碳笼得到的富勒烯称之为内嵌金属富勒烯(EMFs)。金属原子和金属团簇的种类非常多,并且碳笼数目随着碳原子数的增加而迅速增长,从而使内嵌金属富勒烯的数量十分庞大。内嵌金属富勒烯因具有独特的物理化学性质而受到人们广泛关注。虽然目前已经可以分离并提纯许多内嵌金属富勒烯及其同分异构体,这使得研究它们的结构和物化性质成为可能,但由于受产量较低和实验技术不成熟等因素的影响,鉴定结构仍然是内嵌金属富勒烯研究中的一项艰巨任务。为了高产率的合成方法,必须了解这些异构体之间的结构关系和形成机理。除了经典富勒烯以外,最近发现了含七元环的非经典富勒烯也可以作为三金属氮化物富勒烯的母笼,所以研究非经典富勒烯的结构和性质十分必要。本文采用密度泛函理论对金属硫化物富勒烯Sc2S@C2n(n=35-42)进行系统计算,证明了优势异构体的结构之间具有依赖性,为富勒烯的形成机理提供理论依据,除此以外,还对C58-C62的经典结构和非经典结构进行理论研究。主要包括以下两个部分:1)金属硫化物富勒烯Sc2S@C2n(n=35-42)使用了密度泛函理论系统计算了Sc2S@C2n(n=35-42)的热力学和动力学稳定性。计算结果表明金属硫化物富勒烯Sc2S@C2n(n=35-42)的碳笼具有相似的几何结构,这些金属富勒烯间可通过Endo-Kroto插入/挤出C2单元和Stone-Wales异构化转化为相关的结构,从而形成紧密连接的转化关系图。除了C74、C78和C84以外,因为Sc2O和Sc2S都倾向于向富勒烯碳笼转移四个电子,很多较低能量Sc2O@C2n异构体和Sc2S@C2n异构体具有相同的母笼,这些表明电子转移发挥了重要作用。DFT计算最优异构体的稳定性与实验观察结果是一致的,预测稳定性不仅对内嵌金属富勒烯的形成有重要意义,而且有助于从大量可能存在的异构体混合物中辨别出相应结构。2)C58-C62的稳定性、结构相似性和环电流效应非经典富勒烯在富勒烯、富勒烯外部衍生物和内部衍生物的形成过程中有着重要的作用。使用密度泛函理论系统计算了C58、C60和C62的经典结构和含有一个四元环或七元环的非经典结构。计算结果表明C58、C60和C62最优异构体的结构是紧密相关的,这意味着能量最低的异构体之间可能存在相互转化关系,也暗示了富勒烯的形成路径。径向外磁场可诱导碳笼的面而产生环电流。模拟计算表明在外磁场作用下,四元环和五元环平面产生顺磁环流,而六元环和七元环产生逆磁环流。磁环流计算结果进一步证实最优异构体的结构具有相似性。