导读
采用第一性原理计算方法研究了石墨烯中原子掺杂对石墨烯/铝界面结合性能的影响。研究发现，石墨烯中的原子掺杂能明显提高Al(111)/石墨烯/Al(111)界面结合强度。相同掺杂浓度下，N-B共掺杂对石墨烯的改善效果最好。该研究为改善石墨烯/铝复合材料的力学性能提供了一种有效的途径，全面深入地了解石墨烯中原子掺杂提高石墨烯/铝界面结合强度的机理，旨在为高性能石墨烯/铝复合材料的材料设计、性能优化和工程应用提供参考。
铝基复合材料由于其优异的力学性能在航空航天、汽车和船舶工业中的应用引起了研究兴趣，其常用增强材料是陶瓷颗粒。然而，由陶瓷颗粒引起的铝基复合材料强度的提高通常是以牺牲延性为代价的，这导致了其大规模工程应用受到严重限制。石墨烯的二维几何结构因其非凡的力学性能和功能特性吸引了广泛关注。与陶瓷颗粒相比，石墨烯本质上更适合作为铝基复合材料的理想增强体。
近年来，人们对石墨烯增强铝基复合材料进行了大量的研究，并取得了令人瞩目的进展，证明了石墨烯可以作为增强铝基的有效增强体。但是石墨烯优异的力学性能在实际中尚未得到充分的发挥。研究表明，硼或氮掺杂石墨烯会影响石墨烯/铝界面的结合特性，这为进一步优化石墨烯/铝复合材料的综合性能提供了新的策略。因此，有必要深入了解B或N掺杂对石墨烯/Al界面的结合强度、界面能和电子结构的影响。
基于此背景，河南科技大学谢敬佩教授团队采用第一性原理计算方法，系统研究了石墨烯中的原子掺杂及其掺杂浓度对石墨烯/Al界面的黏结强度和电学性质的影响。研究结果以题为“First-principles prediction of enhancing graphene/Al interface bonding strength by graphene doping strategy”发表于期刊《Applied Surface Science》。
由于界面上有限的电荷再分布， Al(111)/完整石墨烯/Al(111)界面结合强度极弱，仅为0.063 J/m2。石墨烯中的原子掺杂(包括N掺杂、B掺杂和B-N共掺杂)可以明显提高Al(111)/石墨烯/ Al(111)界面结合强度，可达10倍以上。其改善效果随着掺杂浓度的增加而增加。在相同掺杂浓度下，石墨烯中N-B共掺杂的改善效果最好。
N或B掺杂可以明显增强Al(111)/石墨烯/ Al(111)的键合强度，这归因于更加离域的Al-3p和掺杂的N或B原子及其相邻的C原子的2p态之间的杂化。掺杂的N和B原子间的强烈相互作用可以削弱其相邻的C原子之间的相互作用，导致界面Al和与掺杂的N或B原子相邻的C原子间的相互作用进一步增强。
信息来源：特种铸造
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