自从2004年Geim等人发现了石墨烯，全球便掀起了新一波碳质材料的研究热潮。石墨烯由于自身特殊的结构在力学、电学、光学、热学等方面具有优良特性。石墨烯具有大量的π共轭结构，有利于电子的传导，可以作为优良的磁性材料。但是对于石墨烯及其衍生物磁性分子材料的合理设计与应用还有待进一步研究与拓展。在理论上设计出结构新颖、性质稳定的磁性类石墨烯分子将为磁性材料的实际应用提供有力的理论基础，对于促进分子磁性材料的发展有着不可替代的作用。为进一步拓展类石墨烯磁性材料的研究领域，本文设计了四类结构新颖具有双自由基特性的类石墨烯磁性分子。主要研究成果如下:　　1.铍掺杂修饰的类石墨烯磁性分子。诸多研究表明，较小的并苯以及小型石墨烯片很难表现出磁性，如何通过简单有效的方法使小型并苯及石墨烯片展现出显著磁性一直是人们关注的问题之一。针对这一问题，本工作选用碱土金属Be对小型的直线并苯进行修饰，即沿并苯链轴向或在并苯的单个苯环中横向插入Be原子。同时，对小型石墨烯片也进行类似的修饰。由于Be与C能形成直线型共价键，而且相邻的Be之间存在的s2…s2相互作用，从而避免了并苯结构的扭曲。本文利用密度泛函理论详细探讨了它们的电子性质及磁耦合特征，结果表明，通过铍的修饰使类石墨烯分子上下两个自由基片段变得相对远离，从而使原本不具有磁性的母体并苯和石墨烯片展现出显著的磁性。本工作为合理设计具有显著自由基性质的非过渡金属修饰的石墨烯衍生物提供了新思路。　　2.C=C单元中心修饰的具有双自由基特性的类卟啉分子设计及磁性。卟啉与石墨烯片类似，都具有大量的π共轭结构。本工作利用C=C单元中心修饰的类卟啉及其氧化态（+2价态）作耦合桥并引入常见的中性自由基构造出C=C单元中心修饰的类卟啉双自由基分子，探究了这些分子的磁性以及C=C单元的中心效应。计算结果表明，C=C单元中心修饰的类卟啉分子的磁性比无C=C单元修饰的卟吩双自由基分子的磁性明显增强。同时，C=C单元中心修饰的类卟啉分子具有较弱的铁磁性，而相对应的氧化态卟啉分子呈现较强的反铁磁性，这表明通过氧化还原作用可以实现这类分子的磁性转换。C=C单元中心修饰的类卟啉及其+2价态分子的磁性差异应归因于它们的自旋耦合路径不同。此外，自由基在耦合桥上的不同连接位置也影响了分子的磁性强度。本工作为类卟啉双自由基的磁耦合相互作用提供了新的见解，并为其进一步的应用提供了理论基础。　　3.具有B-B和C=C中心单元的仿卟啉石墨烯片分子材料设计及磁性。为进一步拓展磁性类石墨烯的研究领域，本工作结合石墨烯片和类卟啉的结构特点，将C=C或B-B中心单元修饰的类卟啉分子中的四个N设计为四个C，同时引入自由基对其进行双自由基功能化修饰，设计出具有C=C或B-B中心单元的仿卟啉石墨烯双自由基分子。研究结果表明，这些分子由于中心修饰单元不同而展现出不同的磁性。此外，自由基在耦合桥上不同的连接位置也会影响分子的磁耦合相互作用。更重要的是，利用C=C单元修饰的类卟啉石墨烯分子的中心C=C键的伸缩振动可以有效地调控其磁耦合作用。另一方面，本研究发现B-B单元修饰的类卟啉石墨烯分子和它们相对应的还原态分子（-2价态）表现出的磁性完全不同，这说明通过氧化还原作用可以实现这类分子磁性的调控及转换。这项工作结合类卟啉和石墨烯分子进行磁性分子设计，利用分子振动效应以及氧化还原作用进行磁性调控，为以后磁性材料更广泛而灵活的实际应用打开了新的视角。　　4.三元桥桥连的双自由基联苯分子设计及磁性。研究表明，石墨烯分子的衍生物联苯分子可以作为耦合桥进行磁性分子设计，但得到的联苯双自由基分子的磁性较为单一，也不能实现磁性的有效调控。针对这一问题，本工作利用杂原子对联苯进行拆分修饰，引入氮氧自由基(-NOH)，设计了三元桥桥连的双自由基分子（HON-苯基-X-苯基-NOH，X=C=CH2、O、BH、NH、SO2）。计算结果表明，通过改变中间耦合桥X以及自由基在苯环上的连接位置可以有效调控分子的磁耦合相互作用。本工作从分子的结构及性质、自旋交替规则、自旋密度分布以及分子轨道能级等方面合理地解释了这些分子的磁性行为，并探究了空间耦合与化学键耦合的自旋耦合机理。三元桥桥连的双自由基联苯分子具有丰富多样的磁性，可满足不同的实际应用的需要。　　综上，本文从多个角度设计了四类新型的具有双自由基特性的类石墨烯材料分子并详细探讨了它们的磁耦合性质。该工作为磁性功能分子材料的实验合成提供了有价值的理论信息，为满足磁性分子材料的不同应用需求提供了多种选择。