20世纪80年代进行的一系列科学实验使得一种由纯粹的碳元素组成的新分子被意外发现：巴基球，60个碳原子构成足球构型的分子。在后来的日子里，种类繁多的富勒烯陆续被制备和分离出来。作为一种新型纳米材料，富勒烯具有独特的结构和新奇的性质，吸引了世界范围内的研究兴趣：在1991年，Science杂志将富勒烯评选为该年度的“明星分子”；到了2006年，有关富勒烯的研究依然被Nature杂志评选为“Top five”的工作。　　 由于富勒烯的特殊性质是由其特殊的结构决定的，结构的确定对于基于富勒烯的材料在物理、化学和材料科学方面的应用是至关重要的第一步。本论文的工作主要是对制备的内嵌金属富勒烯开展系统深入的变温X射线吸收精细结构谱学研究(T-XAFS)，结合量子化学第一性原理计算和多重散射从头计算，对富勒烯的结构和动力学行为进行表征；另外，还对空心富勒烯C80进行UPS和X射线谱学计算(XES，RIXS，XANES，XPS)的研究。以下列出了得到的几个重要结果：　　 1.在空心富勒烯C2n(35≤n≤48)系列中，C80的产量很低，是3个“missing cage”中的一个(另外两个是C72和C74)。C80有7个同分异构体，目前对它们的结构优化计算还存在争议。我们通过量子化学第一性原理计算证实了C80的部分同分异构体确实存在能量更低的三重态，并且发现计算UPS和X射线谱不受结构优化时所用的泛函的影响。利用优化好的结构进行的X射线谱的计算结果表明，除了XES不对结构和自旋多重度敏感外，UPS能很好地区分同分异构体，并且跟已有的实验结果符合很好；RIXS、XPS和XANES都显示了对同分异构体的结构敏感性和对自旋多重度的依赖性。本工作表明了计算和实验谱学相结合是进行富勒烯的同分异构体分辨的一个有效的手段。　　 2.内嵌原子在碳笼内的位置影响着内嵌金属富勒烯分子的性质和进一步深入研究。目前对Gd@C82中的Gd在C82笼内的具体位置存在很大的争议，我们通过量子化学第一性原理计算发现Gd在C2轴上靠近六元环中心的位置是唯一一个没有虚频且总能量最低的构型，并结合XANES实验谱和多重散射从头计算XANES谱首次证实了这个构型的合理性，即Gd跟其它金属元素Sc、Y、La在C82笼内的平衡位置是一样的，都是在C2轴上靠近六元环中心的位置。另外，我们也首次阐述了Gd在碳笼内的运动幅度随温度的增加而增大的动力学行为。　　 3.先前Park等人测试的Y@C82的EXAFS谱含有大量的杂质Y2@C82，并且在拟合过程中采用的是粗糙的近邻模型。我们对纯的Y@C82进行了变温(25K-300K)EXAFS测试，采用通过结构优化得到的理论模型对25K和300K下测得的EXAFS谱进行拟合，可以得到Y@C82中Y的最近邻和次近邻配位壳层的结构参数，还可以得知Y-C两个壳层的配位距离基本没有随温度变化，Y@C82的两个壳层的原子分布即使在低温下也存在比较大的无序。　　 4.Nomura等人只在常温下测得了La@C82的EXAFS谱，并直接用粗糙的近邻模型拟合。我们对La@C82进行了变温(160K-300K)EXAFS测试，在修正了多电子效应的基础上，采用通过结构优化得到的理论模型，对160K和300K的La@C82的EXAFS谱进行拟合，可以得到La@C82中的La的最近邻和次近邻配位壳层的结构参数，La-C两个壳层的配位距离基本没有随温度变化。