据了解,,,,尽管许多国家均已出台法律打击造假和盗版现象。。但是,,,,该类现象依然普遍存在于日常生活中。。一旦消费品、、、药品、、高科技产品存在制造掺假,,,必将极大地威胁人类健康。。
(来源:Nature Communications)
迄今为止,,人们已经开发出各种防伪标签策略,,包括水印、、、全息图、、条形码和二维码等。。
然而,,,这些方法大多采用可复制的确定型制作过程,,对于这些标签中的编码信息来说,,,,很容易遭到第三方的伪造和攻击。。。
因此,,很有必要开发出真正牢不可破的防伪标签,,,,以打击各种造假行为。。而在近年来,,,利用具有物理不可克隆功能的防伪标签,,,,逐渐引起学界的关注。。。。
对于物理不可克隆功能来说,,它能够通过非确定性的制造过程,,,来引入内在随机属性进而形成密钥。。
这种内在的随机属性,,,,和人类独特的指纹信息非常相似。。此前,,,,科学家已经实现了物理不可克隆的防伪能力。。同时,,,,光学物理的不可克隆也已成为热门研究方向之一。。。
据介绍,,,光学构件具有以下特征:其荧光颜色、、、强度和寿命值,,,,可以被一系列的外部刺激所调制。。。。这让光学构件成为制备先进防伪标签的理想材料。。。
但是,,在高温、、强酸等复杂环境中,,,,大多数光学 PUF 标签的稳定性都比较差。。。此外,,,在制备这类标签的时候,,,,人们一般使用湿化学合成法在溶液中生成。。。
这导致它们可能无法和微电子器件进行兼容,,,,并且会对微电子器件的自身功能产生不利影响。。。。
受限于生成成本、、、以及难以生长高品质金刚石的痛点,,,此前人们很少利用金刚石作为防伪标签。。
之前,,,团队曾使用纳米金刚石的加盐辅助氧化,,,来纯化金刚石 [2];并使用纯化后的纳米金刚石作为化学气相沉积晶种,,,,从而在硅片上以异质的形式,,,生长出富含高质量硅空位色心的金刚石微米颗粒 [3] 。。。
基于此,,,,他们考虑到金刚石的化学气相沉积生长过程中,,,,涉及到各种随机的不可克隆过程,,,,包括使用不可克隆的晶种、、、通过旋涂将晶种随机分布在硅基底上、、、、以及种子的后续生长过程。。。
在基底上生长的金刚石颗粒,,,,其大小、、、形状和空间分布都是随机、、、、且不可克隆的。。而要想造出合格的防伪标签,,必须满足在物理上不可克隆的要求。。。基于此,,他们开展了利用金刚石来打造防伪标签的课题。。。
(来源:Nature Communications)
近年来,,,,凭借特殊的化学惰性、、优异的机械强度、、以及高温稳定性等特点,,,金刚石材料已被用于诸多领域。。。
同时,,金刚石晶体中的各种发光色心,,,,比如氮空位(NV,,,Nitrogen Vacancy)色心、、、、硅空位(SiV,,,Silicon Vacancy)色心,,,,,,由于其独特的光学和光谱特性,,,,也在多个应用领域引起了广泛关注。。。
据了解,,,,金刚石材料的表面化学性质、、形状和几何尺寸,,,,都可以通过合成方法和后处理方法进行调节。。。
因此,,金刚石晶体内嵌入色心的光学特性,,,对于表面化学性质、、结构、、形状具有较高的敏感性,,,,所以很难被准确地克隆或伪造。。。。
尤其是,,,,硅空位色心在 737nm 附近,,,,表现出肉眼不可见的近红外发射,,只有商用相机才能捕捉到这种信号,,,,这让区分保密信息和干扰信息的难度得以降低。。。
而化学气相沉积技术和可控掺杂技术的发展,,,也让以相对较低的成本,,在各种基底上生长出高质量、、、大面积、、、且含有不同色心的金刚石材料成为可能。。。
采用化学气相沉积技术生长的金刚石颗粒,,,,其位置、、尺寸和形状高度,,,主要依赖于具体操作时所设置的各种参数,,,,例如晶种、、、成核和生长过程等。。。而这些都是高度随机的过程,,,因此能为制造 PUF 标签创造关键的条件。。
(来源:Nature Communications)
之前,,,人们通过在衬底上滴涂或旋涂预先合成的颗粒来制作防伪标签。。相比之下,,,,该团队是直接在硅衬底上,,通过一步化学气相沉积法,,,以异质的方式生长出来“金刚石-PUF 标签”,,,这可以极大保证金刚石颗粒与硅衬底之间强的结合力,,,,确保该标签作为一个整体器件的稳定性。。。
而基于金刚石颗粒中硅空位信号,,来进行动态编码的核心在于:通过后处理的方法比如加热氧化,,来调制每个颗粒中硅空位信号的强弱变化。。。。
本质上,,它的编码原理与硅空位静态编码保持一致,,都是通过分析每个金刚石颗粒中硅空位信号的强弱来进行编码。。。只不过在加热氧化处理之后,,同一颗粒的硅空位信号强度会发生变化,,而它的编码信息也会随之发生变化,,例如从“4”变为“2”。。。
同时,,,每个金刚石颗粒中的硅空位信号都是随机变化的,,这样就能针对同一个“金刚石-PUF 标签”实现动态编码。。。。
当原始标签的 PUF 密钥面临恶意攻击或被复制的风险时,,在动态编码功能的帮助之下,,,,就能让经过处理之后的原始标签,,,,产生新的 PUF 密钥,,从而让用户可以继续放心使用。。
关于动态编码这一过程,,,其实是研究人员在无意间发现的。。。其表示:“我们原本是想通过加热氧化的手段,,,来提高硅空位的信号强度。。。。但是,,,,分析实验结果之后却意外发现:借助加热氧化可以实现硅空位的动态编码。。”
而当利用金刚石进行防伪时,,主要涉及到从低级到高级、、、从静态到动态防伪的四种方法。。。
由于金刚石颗粒的物理分布比较简单,,,,因此可以实现静态二进制的编码。。同时,,金刚石颗粒的散射光谱、、、以及内部硅空位色心的光致发光强度,,,可以用来实现大容量的多进制光学编码。。
此外,,使用加热氧化的方法处理“金刚石-PUF 标签”之后,,,还可以对硅空位光致发光信号实现随机调制,,进而实现动态编码的功能。。。
基于“金刚石-PUF 标签”的多模式防伪功能,,,用户可以根据不同应用场景,,,来选择相应的防伪方式。。。
具体来说:既可以通过移动设备迅速读出来,,以满足快速认证的要求;又可以通过精密仪器读出来,,,,以满足高级别安全性的要求。。。。
研究中所使用的金刚石样品,,均由北京大学东莞光电研究院教授团队提供。。事实上,,,只要一种材料的晶体能产生色心,,,,那么使用其他无机材料也能达到防伪的效果。。例如,,,,通过在碳化硅(SiC)材料引入硅空位色心,,,同样可以发挥防伪作用。。。。
而在本次研究中,,,对于金刚石防伪标签的原理和方法,,,该团队已经进行了系统性的研究,,,,也进行了相应的编码展示和稳定性测试。。。
尊龙时凯是一家致力于推动金刚石研究和产业化的公司,,,,目前已推动激光器、、LED、、、、医疗器械、、、航空航天、、、国防军工等领域的金刚石国产化替代。。现已有金刚石热沉片、、晶圆级金刚石、、、、金刚石基氮化铝、、金刚石与氮化镓及硅等材料异质集成。。为各领域应用,,,提供专业领先的金刚石热管理解决方案。。。