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作为一种新型纳米材料，内嵌金属富勒烯吸引了世界范围内的研究兴趣。本文对内嵌金属富勒烯的高效合成方法、形成机理、聚合行为、内嵌原子/团簇的动力学行为等方面作了专门的研究。
一、Y@C82与Sc3@C82的合成及STM研究为了找到克服金属富勒烯聚合行为的方法，本文在合成出高纯度Y@C82的基础上，采用电化学扫描隧道显微镜技术，研究了其在Au(111)，C60/Au(111)和I/Au(111)上的吸附行为。结果显示，Y@C82分子的吸附行为是决定于分子-分子和分子-基底相互作用的。采用基底诱导吸附的方法，将Y@C82成功地分散在C60/Au(111)和I/Au(111)基底上。实验中采用的方法对金属富勒烯的分散有一定的指导意义。
对于Sc3@C82，理论研究结果显示内嵌的Sc原子是分离开来的而XRD/MEM实验测试结果表明三个Sc原子是以团簇的形式存在的。为了阐明Sc3@C82几何以及电子结构，本文在合成出高纯度样品的基础上，对Sc3@C82进行了UHV-STM测试并采用密度函数方法模拟Sc3@C82的STM图像。结果表明，Sc3在笼中是分离的，分子电子结构为Sc36+@C826-。
二、Y@C82的形成机理研究尽管内嵌金属富勒烯的制备、分离以及结构表征方面都取得了重大的进展，但是对其形成机理的研究却仍然没有得到实质性的进展。对其形成机理的研究很可能为新的高效合成方法提供线索。本文提出了两个关于内嵌金属富勒烯Y@C82的形成模型—Y@C80+C2和C76+C6Y，并利用从头算方法和密度函数方法从能量、结构属性以及前线分子轨道等方面考察了这两个模型的可能性。结果显示，第一个模型涉及的反应是高吸热过程而且反应物之间的分子轨道对称性不匹配；第二个模型所涉及的反应在热力学上是自发过程，反应物前线分子轨道之间是能量相近且对称匹配的，因此是高度可能的。本文提出的模型不但能够解释M@C82的形成，而且对其他种类的内嵌金属富勒烯的形成机理都具有重要启示意义。
三、Y@C82的聚合行为研究与其它的纳米微粒一样，内嵌金属富勒烯也容易发生聚合。本文利用从头算方法和密度函数方法，在得到金属富勒烯Y@C82的优化结构的基础上，计算了Y@C82形成二聚体时的五种可能取向结构的单点能量，绘制了势能-距离关系曲线。结果表明，由于自旋单电子之间的相互作用以及分子之间的静电相互作用，头对头取向结构容易形成二聚合体；由于偶极-偶极相互作用，头对尾取向结构容易形成一维线形结构；由于静电排斥作用，尾对尾取向结构不能够形成；肩并肩以及反肩并肩取向结构之间的作用是微弱的vanderWalls相互作用，对于形成二聚体或一维线形结构都基本无贡献。本文的计算研究揭示了金属富勒烯Y@C82存在大量二聚体的原因，完美解释了Y@C82在Cu(111)表面上的分布特征并提供目前实验技术无法得到的二聚体的取向信息。
四、Sc2C2@C84的理论计算对C84-D2d，Sc2@C84以及Sc2C2@C84进行了从头算水平的几何优化与密度函数水平的单点能量计算。计算结果解释了这三种物质产率上的巨大差异，也很好地解释了Sc2C2@C84的13CNMR实验结果并证实了这一个分子是磁体。