性能各异的原子团簇在磁学、电学和光学等领域具有潜在的应用前景,使原子团簇的设计及性质研究成为近年来的热点领域。在众多金属团簇中,铝团簇因其特殊的物化性质而被广泛研究。其中,最典型的例子是倾向于获得一个额外电子以填充空的2P分子轨道,从而满足闭壳层电子结构的类卤素超原子Al13。基于此,科学工作者表征并研究了大量的掺杂铝团簇。但是,目前对于镧系元素掺杂铝团簇的研究鲜见报道。本文采用量子化学方法,理论设计并研究了镧系元素钆掺杂的铝团簇Al12Gd及其阴离子Al12Gd—。结果显示,Al12Gd的全局极小值结构为九重态,呈现掺杂原子位于Al12骨架底部的二十面体构型。Al12Gd—的全局极小值结构为八重态,其几何骨架与Al12Gd的全局极小值结构相似。分子轨道分析表明,Gd原子的4f电子倾向于定域在原子轨道上,并且Al12Gd团簇额外得到的一个电子倾向于填充到1F分子轨道中,由此得到了高稳定性团簇Al12Gd—。此结论揭示了Al12Gd具有类卤素性质和磁性的根本原因。随后,我们从如下几方面研究了Al12Gd的类卤素特性:（1）Al12Gd与（超）碱金属原子形成复合物时倾向于获得一个电子,表现出类似于卤素的性质;（2）两个Al12Gd单元与碱土金属原子结合可以模拟Ca Cl2/Ca Br2分子;（3）两个Al12Gd团簇之间也可以形成类似于Cl2的二聚体(Al12Gd)2。根据自然键轨道（Natural Bond Orbital,NBO）分析,Al12Gd在形成复合物时始终保持自身磁矩,且复合物的磁矩均由Gd原子的4f电子提供。此外,为了揭示磁性超原子Al12Gd吸附在石墨烯表面的行为,我们研究了吸附体系的结构稳定性、电子性质和磁性。研究表明,吸附在石墨烯表面的Al12Gd团簇保持了其自身的结构。Al12Gd团簇和石墨烯之间存在较弱的电荷转移相互作用,其中Al12Gd团簇在吸附体系中失去电子,而吸附底面则得到电子。这些结论进一步推动了掺杂铝团簇的研究,并且f电子的特殊性以及文中提到的non-Aufbau电子结构为设计新型磁性超原子提供了新方向。