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纳米团簇一直是材料科学研究领域的热门课题，特别是过渡金属团簇。因它们关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，从而将呈现出与块体完全不一样的反常磁学性质。虽然过渡周期中只有3d周期内Fe、Co、Ni的块体材料表现铁磁性，但已有的研究表明大部分过渡周期元素团簇都表现出较强的磁性特征。对它们的深入研究有助于人们理解团簇的各种奇异性质，是开发高密度存储，微电子，光电子通讯，和高效催化等高新技术材料的基础。本文研究了过渡金属团簇的结构演化、电子结构和磁学性质，主要集中在：
1．第Ⅲ主族Sc，Y元素团簇的结构演化和磁性。
人们利用Stern-Gerlach实验测量了5-20原子的Sc，Y，La团簇的磁性演化行为，而此前还没有相关的系统理论研究。本文中，采用密度泛函理论下（DFT）的广义梯度近似（GGA）方法，非限制对称性的优化了Scn（n≤16）和Scn（n≤17）团簇的可能结构构型，得到了Sc，Y团簇的结构演化规律、电子结构、和磁性特征。研究结果表明，Sc，Y团簇与La团簇一样倾向于二十面体结构的密堆积生长模式，SC13和Y13团簇都为Ih高对称性的二十面体结构，其中n=7，13的团簇尺寸相比其近邻更加稳定，可以认为是该主族元素团簇的幻数尺寸。计算结果很好的重现了SC、Y团簇在n=6，8，13处的高磁矩和其余尺寸的弱磁性的实验测量，结果显示这些团簇的总磁矩随尺寸增大近似而呈现出震荡行为，其中SC13和Y13团簇都具有19μB的高磁矩。虽然本文的计算高估了部分尺寸的实验测定值，但定性的演化趋势与实验吻合的较好。研究还发现n=7的尺寸是SC、Y团簇从铁磁性序到反铁磁序的转变尺寸，但n=8，13，14团簇的基态还是表现出铁磁序排布。分析表明，SC和Y团簇具有的相似结构构型是造成它们相似磁性演化的主要原因。此外，计算得到的电离势与已有的实验符合的较好，这说明本文所确定的团簇基态结构是正确的，并由此得到的相关团簇性质也是可靠合理的。
2．中性和获电Bin（n=2-24）团簇的研究。
采用DFT下的标量相对论有效核势（RECP）和GGA近似，研究了中性和获电Bin（n=2-24）团簇的结构演化、电子结构、和磁性。结果显示，中性和获电Bi团簇的结构演化与同族其它元素团簇相似，其中Bi4和Bi8团簇分别具有四面体和楔状构型，大尺寸Bi团簇的结构则是由Bi4，Bi6，和Bi8这些稳定单元组装而成，但随着尺寸的增大团簇趋向于形成不定型结构。团簇的二阶差分能量曲线呈现出明显的奇偶震荡行为，说明偶数（奇数）原子尺寸的中性（阳离子）Bi团簇要相对稳定。计算得到奇数原子的中性Bi团簇具有1μB的磁矩，而偶数原子团簇不显磁性，理论与实验之间的磁性差异可能是由于计算中忽略轨道磁矩的原因。研究表明，n<7的阳离子Bi+n团簇将碎裂为一个中性Bi原子和一个Bi+n-1子团簇，而n>7时团簇则碎裂到Bi4和Bi+7的道，得到的这些的碎裂行为与实验吻合的很好，这些现象再次证实了Bi4和Bi+7团簇特别稳定。团簇原子的键级分析和HOMO-LUMO能隙大小暗示本文所研究尺寸范围内的小Bi团簇将呈现出半导体性质而不为金属性。
3．V12TM团簇的磁性第一性原理研究。
采用DFT下的GGA方法，对V13团簇及V12TM掺杂团簇（TM：Sc，Ti，Cr， Mn，Fe，Co，Ni，Y，Zr， Nb，Mo，Tc，Ru）的电子结构和磁性进行研究。通过对团簇的基态几何构型优化计算得到了团簇束缚能，电子结构，以及磁矩的大小，系统的分析了V13及V12TM团簇磁矩的形成机理以及电子结构与磁性的变化关系。发现掺杂团簇V12Fe、V12Ru为具有大束缚能和大能隙间隔的闭壳电子结构，V12Y团簇具有11μB的大磁矩，而其它的掺杂团簇则表现弱磁性。
4．Bi-Mn二元合金团簇的结构与磁性。
利用DFT下的GGA方法，研究了BinMnm（n≤13，m≤6）团簇的结构演化，电子结构，和磁性。结果表明，Mn掺杂原子保持近似不变的4 μB/atom的局域磁矩，其中团簇结构、组份浓度、和局域环境等因素对它的影响非常小，但Mnm成份之间的磁序耦合却与这些因素有敏感的依赖关系。当团簇中Bi与Mn的组份比例接近2（n：m=2：1）时掺杂Mnm之间主要为铁磁序耦合，而Bin成份主要对团簇磁性提供了很微弱的反铁磁性微扰贡献。Mn-3d和4p与Bi-6p之间的杂化作用降低了1μB的Mn原子磁矩而在Bi原子上诱导出-0．1μB的磁矩值，计算得到的不同组份系列的磁性演化规律整体上与近期的实验测量符合较好。结构分析表明，BinMnm团簇结构呈现出分块效应，其中Mnm掺杂成份聚集形成内部的五角双锥核心构型，而Bin成份则围绕在核心成份的周围。低浓度掺杂的团簇结构为不定型构型，而高浓度掺杂的大尺寸团簇则趋向于形成有部分缺陷的多二十面体结构交错的结构构型。束缚能和二阶能量差分的计算表明，单元子Mn掺杂的BinMn团簇中n=4，6，10，12的尺寸要比其紧邻更加稳定。随着掺杂Mn浓度的增加，BinMnm团簇的HOMO-LUMO能隙逐渐降低，这说明团簇的金属性在增强。