Width-modulated heterostructures are created in graphene nanoribbons using a bottom-up approach, thus achieving molecular-scale bandgap engineering. Bandgap engineering is used to create semiconductor heterostructure devices that perform processes such as resonant tunnelling1,2 and solar energy conversion3,4. However, the performance of such devices degrades as their size is reduced5,6. Graphene-based molecular electronics has emerged as a candidate to enable high performance down to the single-molecule scale7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Graphene nanoribbons, for example, can have widths of less than 2 nm and bandgaps that are tunable via their width and symmetry6,18,19. It has been predicted that bandgap engineering within a single graphene nanoribbon may be achieved by varying the width of covalently bonded segments within the nanoribbon20,21,22. Here, we demonstrate the bottom-up synthesis of such width-modulated armchair graphene nanoribbon heterostructures, obtained by fusing segments made from two different molecular building blocks. We study these heterojunctions at subnanometre length scales with scanning tunnelling microscopy and spectroscopy, and identify their spatially modulated electronic structure, demonstrating molecular-scale bandgap engineering, including type I heterojunction behaviour. First-principles calculations support these findings and provide insight into the microscopic electronic structure of bandgap-engineered graphene nanoribbon heterojunctions.

Bottom-up synthesized GNRs and GNR heterostructures have promising electronic properties for high performance field effect transistors (FETs) and ultra-low power devices such as tunnelling FETs. However, the short length and wide band gap of these GNRs have prevented the fabrication of devices with the desired performance and switching behaviour. Here, by fabricating short channel (Lch ~20 nm) devices with a thin, high-k gate dielectric and a 9-atom wide (0.95 nm) armchair GNR as the channel material, we demonstrate FETs with high on-current (Ion >1 uA at Vd = -1 V) and high Ion/Ioff ~10^5 at room temperature. We find that the performance of these devices is limited by tunnelling through the Schottky barrier (SB) at the contacts and we observe an increase in the transparency of the barrier by increasing the gate field near the contacts. Our results thus demonstrate successful fabrication of high performance short-channel FETs with bottom-up synthesized armchair GNRs.

Recently developed processes have enabled bottom-up chemical synthesis of graphene nanoribbons (GNRs) with precise atomic structure. These GNRs are ideal candidates for electronic devices because of their uniformity, extremely narrow width below 1 nm, atomically perfect edge structure, and desirable electronic properties. Here, we demonstrate nano-scale chemically synthesized GNR field-effect transistors, made possible by development of a reliable layer transfer process. We observe strong environmental sensitivity and unique transport behavior characteristic of sub-1 nm width GNRs.

In this work, the effects of rapid annealing on the nanocrystallization behavior and magnetic properties of Fe83-xNi2B15Cux (x = 0, 0.6, 0.9, 1.1, 1.3) alloy were systematically investigated. Additionally, the influences of Cu addition on structure, thermal stability, crystallization behavior and soft magnetic properties of Fe83-xNi2B15Cux alloys were also studied in detail. It was found that a fully amorphous structure was formed in the as-spun ribbons. Analysis of thermal properties showed that with the increase of Cu content, the onset temperature of the first crystallization peak (Tx1) decreased sharply for the as-spun Fe83-xNi2B15Cux alloy ribbon and a large ΔT (ΔT = Tx2 -Tx1) of 105 K was obtained in Cu1.3 alloy which facilitated the precipitation of α-Fe phase. The Hc results from annealed samples indicated that soft magnetic properties can be optimized using rapid annealing treatment primarily due to the grain refinement caused by the large overheating and short duration time during annealing process. With appropriate addition of Cu element and rapid annealing treatment, uniform and dense microstructure consisting α-Fe grains with an average size distribution around 15 nm within amorphous matrix was achieved in rapid annealed Cu1.1 alloy, leading to optimized soft magnetic properties with Bs of 1.85 T and Hc of 4.3 A/m.

The global generation of bauxite residue necessitates environmentally responsible disposal strategies. This study investigated the long-term (5-year) behavior of bauxite residue whose pH was lowered to 8.5, called modified bauxite residue (MBR), using lysimeters to test various configurations: raw MBR or used MBR (UMBR) previously applied for acid mine drainage remediation, sand or soil capping, and revegetation. Throughout the experiment and across all configurations, the pH of the leachates stabilized between 7 and 8 and their salinity decreased. Their low sodium absorption ratio (SAR) indicated minimal risk of material clogging and suitability for salt-tolerant plant growth. Leaching of potentially toxic elements, except vanadium, decreased rapidly after the first year to low levels. Leachate concentrations consistently remained below LD50 for Hyalella azteca and were at least an order of magnitude lower by the experiment’s end, except for first-year chromium. Sand capping performed poorly, while revegetation and soil capping slightly increased leaching, though these were negligible given the low final leaching levels. Revegetated MBR shows promise as a suitable and sustainable solution for managing bauxite residues, provided the pH is maintained above 6.5. This study highlights the importance of long-term assessments and appropriate management strategies for bauxite residue disposal.