在富勒烯笼内包入不同金属元素形成的内嵌金属富勒烯不仅兼具碳笼和内部金属的内禀属性,还会通过二者的融合孕育出全新的物化性质。得益于新颖的核-壳结构和特殊性质,其在纳米催化和生物医学等众多领域具有潜在的应用价值。理论计算是研究内嵌金属富勒烯的结构、深入揭示其不同性质和预测其应用的重要手段。本论文采用密度泛函理论（DFT）计算对多种内嵌金属富勒烯的几何结构、电子性质、成键特征和化学反应性进行了系统研究。主要研究工作如下:首先,对涵盖所有四种已报道类型的13个La基内嵌富勒烯进行了DFT计算。结果表明,通常被认为是内核型的La-4f亚层在所有体系的结构特征、能量稳定性、前线轨道能级、金属电荷和化学反应性等方面都发挥着重要作用。由于碳笼限域的逐渐增强,无论内嵌形式如何,La-4f对化学键合和结构稳定性的贡献都会随着碳笼尺寸的减小而增加。金属到非金属的电荷转移与笼腔压缩效应相结合,暴露并有效激活了原本化学惰性的金属4f轨道。因此,通常被忽视的La-4f轨道实际上表现为富勒烯内部金属的价层轨道。其次,基于La-4f轨道的价层属性,对一系列内嵌双金属富勒烯La2@C2n（2n=36-80）的结构进行了理论研究。结果表明,随着碳笼尺寸减小,两个La原子通过共享4f轨道上的反馈电子降低金属间的静电互斥而形成新颖的La-La金属键。金属键的强度与碳笼的限域效应密切相关,La-4f轨道间的重叠方式也随着碳笼尺寸的减小而变得愈加复杂,可依次形成4fπu、4fδg和4fφu型共价键。最后,对迄今为止报道的所有内嵌六到八个原子的大金属团簇富勒烯的结构特征和成键本质进行了系统研究。成功发现了一个更稳定的Sc4C2H@Ih（7）-C80结构,其能量比之前文献报道的低12.6 kcal/mol。这些簇富勒烯内大多形成了新颖的金属-非金属间或金属-金属间多中心键,如四中心两电子（4c-2e）和三中心一电子（3c-1e）键,从而极大稳定了内部的金属团簇。此外,还发现簇富勒烯的稳定性与簇内和簇-笼间的键临界点数目高度相关。这些发现为理解内嵌大团簇富勒烯的结构稳定性奠定了重要的理论基础。