引言

镁基复合材料拥有优异的力学和物理性能，但其弹性模量普遍偏低从而极大地限制了其在结构材料领域的广泛应用。石墨烯具有高弹性模量（约1TPa）与断裂强度（约125GPa）[1]，将石墨烯作为镁基复合材料的增强相，能有效地提高镁金属及镁合金的强度、弹性模量等性能。因此研究镁与石墨烯的界面反应是该领域研究的重要课题。由于本征石墨烯是带隙为零的半导体[2]且本征石墨烯这种带隙为零的能带结构容易受到各种外在因素的影响，例如空位缺陷、表面吸附、晶格畸变以及掺杂等。这些因素的影响会导致本征石墨烯的带隙打开，同时带来各种独特的性质，从而会对镁与石墨烯的相互作用造成影响。因此，本文主要从硼（B）、氮（N）和硅（Si）三种非金属元素掺杂石墨烯的角度出发，对镁原子与掺杂石墨烯吸附体系的结构性质进行研究。

1 吸附模型与计算参数

1.1吸附模型的建立

首先，建立一个4×4周期性石墨烯超晶胞，模型中碳碳键长为1.425   ，超晶胞晶格常数a=b=9.870    。掺杂石墨烯通过此4×4周期性石墨烯超晶胞（包括32个碳原子）中置换一个碳原子的方式进行构造的。然后，再通过在掺杂石墨烯表面上加入一个镁原子的方式来构造镁原子与掺杂石墨烯的吸附模型。石墨烯及掺杂石墨烯超晶胞在垂直于石墨烯表面的方向上有30    厚度的真空层，以确保吸附的镁原子只与其中一层石墨烯反应。并用UBER法[3]对镁原子与掺杂石墨烯吸附体系中的吸附初始高度进行了测试。

1.2计算参数的选定

本文运用Dmol3程序包来进行第一性原理计算。计算过程中选定广义梯度近似（GGA）和PBE密度泛函作为处理计算电子相互作用的交换相关泛函，考虑到研究体系的特性本文计算过程还加入了自旋极化和偶极矫正，并在计算过程中采用高斯展开，其展开宽度设为0.05eV；超晶胞模型中的所有的原子都要进行充分弛豫，直到每个原子所受到的力都小于0.01eV/    ；碳原子轨道半径=6.0    ；k-points取值=8×8×1，并且在整个弛豫优化过程中超晶胞的晶格常数保持不变。