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随着当今社会对信息技术的发展需求，亟待人们发展更小、功能更加强大、能耗更低的功能器件。单晶硅是计算机制造过程当中常用的半导体材料，而硅表面往往会形成一层绝缘的氧化物薄膜即二氧化硅，当硅片中的氧化层(SiO2)厚度缩减为几个原子层(约0.7 nm)时，其绝缘性能将消失。当硅基半导体彻底失效后如何进一步缩小体系、降低系统能耗、找到新的信息技术的发展方向成了一个急需解决的课题。缩小体系最有利的方法莫过于从自上而下的设计模式改用自下而上模式，即基于具有稳定结构、丰富电子结构和磁性的分子来构建功能型电子器件。近年来，分子电子学获得巨大发展，基于各种不同分子，设计出分子导线、整流器、开关和场效应晶体管等电子器件。基于电子自旋这个自由度，通过直接操控分子电子自旋特性来实现信息输运、信息存储、甚至构成逻辑门，使得体系不仅反应快、体积小，而且能耗低，使得分子自旋电子学获得更多关注。本硕士学位论文中，我们采用第一性原理计算和非平衡格林函数(non-equilibrium Greens Function，简称NEGF)方法，重点研究了Pb@Mn12@Pb20团簇自旋极化输运和Fe(H2Bpz2)2(bipy-NH2)铁基单分子磁体的自旋翻转特性。论文包括如下四章。 第一章，简要介绍DFT公式推导，介绍和分析交换关联泛函的适用范围。同时，简述本文用到的计算软件包Atomistix ToolKit和Gaussian的基本原理与功能。 第二章，简要介绍分子电子学概况、实验上现有的实现手段、及AtomistixToolKit使用的较成熟的理论计算方法(DFT+NEGF)，同时给出该理论的公式推导流程以及一些重要物理公式。 第三章，主要研究了三层嵌套结构二十面体团簇Pb@Mn12@Pb20的磁性和自旋极化输运特性。在对三层嵌套结构团簇的研究中，已有的研究大多侧重此类笼状团簇结构稳定性、电子结构和磁性，而未发现有对其电子输运性质的研究报道。事实上，一些笼状团簇（如C28和内嵌金属富勒烯分子）可以用来构建自旋分子电子学器件，本章我们尝试基于这类三层嵌套结构团簇来设计模型分子器件。理论计算结果表明，Pb@Mn12@Pb20团簇具有很大磁矩，高达28μB，主要由团簇中Mn原子贡献。当团簇稳定吸附在Au(100)或Cu(100)电极之间时，分子-电极的相互作用导致体系磁性增强，体系表现出明显的自旋极化输运特性。有趣的是，改变电极材料和界面耦合构型，体系的自旋过滤效应表现出鲁棒性，这一性质将有利于用Pb@Mn12@Pb20团簇构建分子器件。 第四章，Fe(H2Bpz2)2(bipy-NH2)铁基单分子磁体的电子结构、自旋输运特性及开闭环途径的理论研究。理论研究表明该磁体在两个纳米Au电极之间会表现出显著的自旋过滤效果，在小偏压条件下，分子结的电导主要由自旋向下的电子决定。在光辐射下磁体中配体开闭环转化可引起分子在不同磁阻态HS和LS之间的自旋翻转，体系的反应势能曲线出现了交叉，能量更稳定的单态（低自旋态）在光激发下弛豫到中间过渡态（高自旋态），高低自旋态之间的反应能垒与实验采用的紫外/可见光照射吻合。