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内嵌富勒烯是将原子,分子,或者原子团簇嵌入富勒烯的空腔中而形成的分子。内嵌物和碳笼之间存在的电子转移和相互作用使得这类化合物具有特异的分子磁性、荧光等特性,在量子计算、高密度信息存储、分子器件以及生物医药等方面具有潜在的应用前景。目前,已有多种不同类型的内嵌富勒烯已被成功的分离和表征。其中,对其分子结构的研究较为集中和系统,而关于内嵌富勒烯的材料特性,特别是基于新结构内嵌富勒烯的单分子磁性以及荧光等性质研究还有待进一步拓展。内嵌富勒烯的荧光性质报道极少,此前普遍认为内嵌富勒烯在可见区没有荧光。而富勒烯单分子磁性研究也主要针对氮化物内嵌富勒烯,其他类别的富勒烯涉及较少。基于此,本文对于几种新型内嵌金属富勒烯的合成,光化学反应以及分子磁性与荧光特性进行了以下几个方面的研究:(1)以Dy203作为金属源,引入CO2气体作为氧源,利用直流电弧放电法成功合成了一系列新结构的内嵌镝氧团簇富勒烯Dy2O@C2n(2n=72,74,80,82,88)。利用X射线单晶衍射,循环伏安曲线,UV-vis-NIR光谱等表征手段确定其分子构型。与已报道的所有含Dy-O键的化合物进行对比分析,Dy2O@C2n(2n=72,74,80,82)内嵌富勒烯的Dy-O键明显短于目前已报道的化合物中的 Dy-0 键长。其中,Dy20@Cs-C82 和 Dy2O@C2v-C82 中的 Dy-O 键(1.941 和1.944A)是目前已知最短的。对Dy2O@C2n(2n=72,74,80,82)磁学性能研究表明,碳笼尺寸和对称性的改变能够影响Dy2O团簇磁滞回线在1-1.5 T处的弯曲程度以及Dy20@C2n的零场量子隧穿效应;对Dy20@C82的三个异构体进行结构、磁性研究和理论计算的研究,发现Dy2O@C82中Dy2O团簇的致密几何结构导致了强轴向配体场以及Dy离子间强反铁磁交换耦合。(2)以ThO2为金属源,利用直流电弧放电法成功合成了一系列新型单金属内嵌富勒烯Th@C2n(2n=80,82,86)。利用UV-vis-NIR光谱,循环伏安曲线,荧光光谱对其进行表征。实验结果表明,Th@C2n(2n=80,82,86)都能在可见区发射荧光。Th@C80,Th@C3v(8)-C82,Th@C86的荧光峰的位置和形状几乎一样,但是荧光的强度差异很大。其中Th@C80的荧光最强,其次是Th@C86,荧光强度最弱的是 Th@C3v(8)-C82;将 Th@C3v(8)-C82与Th@C82(Ⅰ,Ⅱ)的荧光光谱进行对比,发现Th@C3v(8)-C82的荧光峰的位置和形状与Th@C82(Ⅰ,Ⅱ)不同。这说明单金属Th-EMFs的金属配位环境(碳笼的尺寸和构型的改变)对其荧光性质有很大的影响。(3)通过Th@C3v(8)-C82与AdN2的自由基光化学反应首次合成了锕系金属内嵌富勒烯的化学衍生物。该衍生物为单加成产物,有三个异构体Th@C82Ad(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)。其中 Th@C82Ad(Ⅰ)为热力学稳定产物,Th@C82Ad(Ⅱ)和 Th@C82Ad(Ⅲ)是热力学不稳定产物,并最终会异构化为Th@C82Ad(Ⅰ)。利用UV-vis-NIR光谱,循环伏安曲线,X射线单晶衍射以及荧光光谱等对这三个异构体进行表征。实验结果表明,加成在不同位点的金刚烷基团对碳笼的电子云密度分布有显著影响,进而会影响分子的电子结构以及内部金属与碳笼的相互作用;对Th@C82Ad(Ⅰ)的结构分析,发现金刚烷基团加成到碳笼上后,内部的Th原子与碳笼的相互作用变弱,Th原子却变得完全有序。对三个异构体Th@C82Ad(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的荧光光谱研究结果表明,与Th@C3v(8)-C82相比,Th@C82Ad(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的荧光峰位值未发生变化。但金属Th原子配位环境相对于Th@C3v(8)-C82变化使得Th@C82Ad(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)荧光强度分别增强了一到两个数量级。