وصلة أكسيد عشوائية مدفوعة بحدود الحبيبات في SnSe ثنائية الأبعاد تمكّن وظائف عدم الاستنساخ الكهربائية‑البصرية المزدوجة

لماذا العيوب الصغيرة يمكن أن تحمي حياتك الرقمية

الأجهزة الحديثة — من الأقفال الذكية إلى السيارات المتصلة — تعتمد على رموز سرية يمكن أحيانًا نسخها أو اختراقها. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن تحويل العيوب الطبيعية داخل فيلم بلوري رقيق جدًا من سَيلِنيد القصدير (SnSe) إلى «بصمة» مضمّنة وغير قابلة للاستنساخ لكل شريحة. من خلال تأكسد أجزاء من الغشاء بطريقة مسيطرة، ينشئ الباحثون نمطًا عشوائيًا معقدًا يمكن قراءته كهربائيًا وبصريًا، ما يوفر مسارًا جديدًا للأجهزة الآمنة والمقاومة للعبث دون الحاجة إلى تصميمات دقيقة للشرائح.

تحويل غشاء مسطح إلى متاهة

يبدأ العمل بأغشية ناعمة وواسعة من شبه موصل ثنائي الأبعاد، SnSe، مزروعة من محلول على رقائق سيليكون. على الرغم من أن السطح يبدو موحدًا، فإن الغشاء مكوّن بالفعل من العديد من الحبيبات البلورية الصغيرة الملتصقة معًا عبر حدود حبيبات — دروز داخلية رقيقة حيث لا تتطابق الذرات تمامًا. تصبح هذه الدروز المخفية المفتاح في مخطط الأمان. يعرض الفريق الأغشية لأشعة فوق بنفسجية في بيئة غنية بالأكسجين، وهي عملية تشجّع ذرات الأكسجين على التسرب داخل SnSe عبر حدود الحبيبات. مع مرور الوقت، تتحول هذه المناطق جزئيًا إلى ثاني أكسيد القصدير (SnO₂)، وهو أكسيد عازل، بينما تبقى المساحات بينهما في الغالب من SnSe. يتحول الطبقة المتجانسة ذات يوم إلى فسيفساء معقدة من مناطق ناقلة ومعزولة لم يرسمها أي أداة لیتوغرافيا تقليدية.

مراقبة إعادة ترتيب الغشاء بهدوء

لمعرفة شكل هذا الالتقاط المخفي، يستخدم الباحثون مجاهر قوية ومجسات حساسة للسطح. تُظهر الميكروسكوبية الإلكترونية أن أغشية SnSe الأصلية مرتبة كيميائيًا وبنيويًا: القصدير والسيلينيوم موزعونان بشكل متساوٍ، ويبلغ سمك الغشاء حوالي 20 نانومتر — أضعاف أضعاف أنحف من شعر الإنسان. بعد المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية المضبوطة، يتغير المشهد. تُظهر مجهر القوة الذرية سطحًا أكثر خشونة وملمسا حبيبيًا، وتُظهر خرائط كيميائية تركّز الأكسجين على خطوط معينة تطابق حدود الحبيبات. تقيس أشعة X انتقال ذرات القصدير من حالة أكسدة منخفضة إلى حالة أعلى، مؤكدة الولادة التدريجية لمناطق SnO₂ داخل مصفوفة SnSe. في الوقت نفسه، تمتص الأغشية ضوءًا مرئيًا أقل ويصبح مقاومها السطحي الكهربائي أكثر تفاوتًا عبر السطح، وهي علامات واضحة على أن المشهد الداخلي أصبح رقعيًا ومتنوعًا.

من مسارات عشوائية إلى مفاتيح رقمية سرية

تؤثر هذه التغييرات المجهرية بقوة على كيفية تدفق التيار عبر الأجهزة المصنوعة من الأغشية. يصنع الفريق مصفوفات 15 × 15 من الصمامات الصغيرة عن طريق تكديس طبقة SnSe بين رقاقة سيليكون وموصلات معدنية. قبل الأكسدة، تتصرف الأجهزة بشكل مشابه: منحنيات التيار‑الجهد تتراصف بشكل وثيق، وتكون المصفوفة موحدة إلى حد كبير. بعد معالجة قصيرة بالأشعة فوق البنفسجية، يرى كل صمام اختلافًا محليًا في مزيج SnSe وSnO₂ عند الوصلة. تصبح بعض المسارات أسهل للإلكترونات؛ في حين تحجب أخرى جزئيًا. النتيجة هي انتشار واسع في التيارات — يتراوح عبر أكثر من أربعة أحجام كمية بعد أكسدة أطول — عندما يطبق نفس الجهد عبر المصفوفة. باختيار زمن أكسدة متوسط، يصل الباحثون إلى نقطة توازن حيث يكون الانتشار كبيرًا لكن الأجهزة لا تزال تعمل بشكل موثوق. هذه التنوع هو بالضبط ما يلزم لتحويل المصفوفة إلى دالة فيزيائية غير قابلة للاستنساخ (PUF): يعطي كل موقع جهاز تيارًا تماثليًا مختلفًا قليلًا يمكن تحويله إلى نمط فريد من الأصفار والآحاد الرقمية.

إضافة الضوء كقناة سرية ثانية

يمكن للغشاء نفسه أيضًا أن يستجيب للضوء، موفّرًا مصدرًا ثانيًا ومستقلاً للعشوائية. عندما تُضاء المصفوفة بضوء أخضر لطيف أثناء تطبيق جهد ثابت، تتولد حاملات شحنة إضافية في وصلات SnSe/SnO₂ المختلطة. وبما أن بنية كل وصل تختلف قليلاً، تختلف التغيرات في التيار الناتج عن الضوء من جهاز لآخر بطريقة لا تعكس ببساطة السلوك في الظلام. يقيس الفريق خرائط التيار تحت عدة جهود، أولًا في الظلام ثم تحت الإضاءة، ويحويل كل خريطة إلى مفتاح ثنائي عن طريق مقارنة التيار عند كل صمام مع عتبة محددة مسبقًا. تُظهر الاختبارات الإحصائية أن مفاتيح الوضعين، الكهربائي والمساعد بالضوء، متوازنة تقريبًا بين الأصفار والآحاد وتتمتع بعشوائية عالية؛ والأهم أن الوضعين مرتبطان ارتباطًا ضعيفًا فقط. بعبارة أخرى، إن تسليط الضوء على نفس المصفوفة الفيزيائية يفتح عمليًا مساحة مفاتيح ثانية ومتعامدة دون تغيير الأجهزة.

بصمات ثابتة لأجهزة آمنة مستقبلية

بالنسبة لأي تقنية أمنية، فإن الثبات أمر حاسم. يتابع الباحثون أجهزة مختارة لأسابيع في الهواء، ويكرّرون تطبيق الجهود مئات المرات، ويسخّنون العينات ويعرضونها للتسريع في الشيخوخة. عبر هذه الاختبارات، تتحرك مستويات التيار قليلاً فقط والأهم أنها تحافظ على ترتيبها النسبي، لذا تبقى المفاتيح الرقمية المشتقّة متسقة. تستنتج الدراسة أن خطوة معالجة بسيطة وموحدة بعد التصنيع — أكسدة مدفوعة بالأشعة فوق البنفسجية لفيلم SnSe ثنائي الأبعاد المعالج من محلول — يمكن أن تحول طبقة شبه موصلة عادية إلى مصدر قوي وقابل لإعادة التكوين للعشوائية الفيزيائية. وبما أن العشوائية مرتبطة ببنية الحبيبات الجوهرية وتشكل الأكسيد بدلاً من النمذجة الدقيقة المتعمدة، فسيكون من الصعب جدًا نسخها، مما يقدم مسارًا واعدًا نحو بصمات أجهزة مضمنة وقابلة للتوسع لإنترنت الأشياء وما بعده.

الاستشهاد: Song, J., Lee, D., Cho, J. et al. Grain-boundary-driven stochastic oxide junction in 2D SnSe enables dual electrical-optical PUFs. npj 2D Mater Appl 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00683-4

الكلمات المفتاحية: أمن الأجهزة, دالة فيزيائية غير قابلة للاستنساخ, مواد ثنائية الأبعاد, سَيلِنيد القصدير, أكسدة حدود الحبيبات