碳基纳米磁性材料因其独特的光学、电学及磁学性质,被应用于自旋器件、信息存储和生物医学等各个领域,具有广阔的发展前景。因此,开发设计新型碳基纳米磁性材料对推动各领域的发展具有重要价值。石墨烯具有优异的电子传输性能,在电子学、磁性分离以及生物传感等方面均有优异的表现,可通过引入自由基作为设计磁子的理想材料。纳米金刚石由于特殊的四面体构型与极好的光电性能,被广泛应用于纳米光子组件和生物医学成像等领域,但缺乏在双自由基磁耦合方面的研究。基于此,本文围绕石墨烯与纳米金刚石开发构建一系列新型碳基纳米磁性材料,为实验精准合成理想磁性的电子器件提供有价值的理论信息。主要研究如下:（1）石墨烯片基磁子设计及磁自旋耦合特性的边缘拓扑规则边缘引入双自由基是实现小型闭壳层石墨烯片优良磁性的有效策略,根据引入位置预测铁磁（FM）或反铁磁（AFM）耦合特征对于磁性材料的设计与合成具有重要的现实意义。基于此,本工作将NO自由基作为自旋源,以不同形状的闭壳层多环芳烃为耦合桥构建磁子,通过引入自由基到耦合桥的不同边缘来探究其磁耦合特征。研究表明,当一个自由基与耦合桥连接时,磁自旋耦合常数的符号（FM或AFM）与另一个自由基引入点的自旋密度颜色密切相关。通过采用同一颜色的直线将具有相同自旋密度颜色的边缘碳原子进行连接,得到一个颜色交替的边缘拓扑结构。该结构不仅呈现出良好的颜色交替特性,还存在特殊的角度关系（颜色相同:0°、120°;不同:60°、180°）。显然,本文提出了一种能够快速判断磁耦合特性的磁性边缘拓扑规则:根据颜色交替特性绘制出边缘拓扑结构后,当两个自由基连接位点所在直线颜色相同（0°、120°）时,磁子表现出FM耦合特性,而当直线颜色不同时（60°、180°）,磁子则展现出AFM特性。磁性边缘拓扑规则的成功提出使快速预测双自由基不同连接位置下石墨烯片基磁子的磁交换耦合特性（FM或AFM）成为可能,进而为精确合成具有理想磁性的电子器件提供了重要的指导意义。（2）螺旋状石墨烯片基磁子独特的π-π自旋耦合通道近年来,螺旋烯特殊的结构及性质在材料科学领域受到了广泛的关注,开发具有磁性的螺旋烯材料对促进其在电磁领域方面的应用具有重要价值。基于此,本工作以双齿自由基为自旋中心,以实验中合成的8字形[12]环烯结构作为耦合单元设计构建了新型双自由基分子。通过密度泛函理论探究了其结构特征、轨道分布、自旋密度分布及磁交换耦合常数（J）。结果表明,在碳骨架作用及空间排斥作用的共同影响下,上下两层苯环发生堆叠且质心距离小于范德华距离,为面对面产生π-π相互作用提供良好的位置条件。通过自旋交替规则对苯环堆叠处进行自旋密度分析发现,耦合桥中存在两种不同的磁耦合路径:一条是通过化学键耦合,另一条则是通过苯环堆叠产生的π-π相互作用进行耦合传输,即一个新的辅助耦合通道。此外,π-π相互作用的磁耦合贡献表明π-π通道与磁子拥有符号一致的J值,且数值上可与键耦合相当。这项工作发现了一种新的磁耦合空间传输通道（π-π自旋耦合通道）,它可作为耦合路径,通过缩短自由基间的耦合距离实现对磁耦合强度的调控,且不引起磁性行为的转换。此工作为构建螺旋状石墨烯片基磁子并利用其独特的π-π自旋耦合通道实现磁性调控提供了有价值的理论信息。（3）具有磁限域特征的内嵌型σ-双自由基氮-空位金刚石纳米团簇含有氮空位（NV）中心金刚石团簇的光学和磁光性质已经得到了广泛的研究,但有关双自由基磁性的研究却较为罕见。本工作基于实验合成的NV金刚石构建了四种具有热稳定性的类金刚石簇[NVe（F）、NNB、NNV及NCHV],通过密度泛函理论揭示了三种团簇尺寸下有关NV中心独特的内嵌型σ-双自由基现象。研究表明,由于其内四面体结构中邻近σ-自由基间的相互作用,团簇表现出较强的铁磁或反铁磁自旋耦合特性。其中,过剩电子注入使NV纳米团簇具有较强的铁磁自旋耦合,其耦合强度可通过表面F端取代得到进一步增强。而杂原子修饰（B/N/CH）则促使NV纳米团簇表现出优异的反铁磁性耦合特征,并且相同团簇尺寸下的J值与两碳自由基间的距离呈现出良好的线性递减关系。此外,由于刚性骨架对NV中心的约束作用,增大团簇尺寸可以进一步增强磁自旋耦合强度,但尺寸膨胀具有收敛性。显然,这种具有多种尺寸的内嵌型σ-双自由基氮-空位金刚石纳米团簇是一种很有前景的新型磁性材料。