金属插层能够调控石墨烯的电子结构和性质,因而吸引了广泛的实验和理论研究。插层及其性能的研究对于石墨烯插层复合材料的应用具有重要意义。目前大多数工作都是通过实验结合理论的方式来研究外来原子插入到石墨烯与其衬底之间界面的机理,尽管已经提出了一些可能的插入机制,但是人们对金属插入过程和插入机理的理解仍然是非常有限的。本文是利用基于密度泛函理论下的第一性原理计算并结合了过渡态理论,系统的研究了金属原子Cu、Pt、Fe、Ru在空位缺陷石墨烯表面上的吸附、扩散、缺陷捕获、缺陷穿透以及脱附等过程以明确插入路径和插入机制,论文的主要研究结果如下:1)当石墨烯空位缺陷大于单空位时,金属单原子穿透石墨烯空位缺陷的能垒不大,但Cu、Pt、Fe、Ru原子容易被缺陷捕获,脱附能垒很高,难以完成插入过程。2)当石墨烯空位缺陷较小时,金属原子从位于缺陷处的金属二聚体上脱附的能垒很小,并且金属二聚体穿透石墨烯空位缺陷的能垒极小,脱附的金属原子容易摆脱束缚,在界面扩散,最终完成插入过程。3)在我们提出的金属二聚体穿透小尺寸空位缺陷的插入机制中,脱附能垒要比穿透能垒高,这表明在整个插入过程中,限制插入过程的决定性因素不是界面穿透能垒,而是脱附能垒。