Jonction oxydée stochastique pilotée par les joints de grains dans le SnSe 2D permettant des PUFs électriques et optiques doubles

Pourquoi de petites imperfections peuvent protéger votre vie numérique

Les appareils modernes — des serrures intelligentes aux voitures connectées — reposent sur des codes secrets qui peuvent parfois être copiés ou piratés. Cette étude montre comment les imperfections naturelles à l’intérieur d’un film cristallin ultra‑mince de séléniure d’étain (SnSe) peuvent être transformées en une « empreinte » intégrée et non clonable pour chaque puce. En oxydant doucement certaines parties du film de manière contrôlée, les chercheurs créent un motif complexe et aléatoire lisible électriquement et optiquement, offrant une nouvelle voie vers du matériel sécurisé et résistant aux manipulations sans recourir à des conceptions de puces compliquées.

Transformer un film plat en un labyrinthe

Le travail commence par des films lisses et de grande surface d’un semi‑conducteur bidimensionnel, le SnSe, déposés depuis une solution sur des plaquettes de silicium. Bien que la surface semble uniforme, le film est en réalité composé de nombreux petits grains cristallins reliés par des joints de grains — de fines coutures internes où les atomes ne s’alignent pas parfaitement. Ces coutures cachées deviennent la clé du procédé de sécurité. L’équipe expose les films à de la lumière ultraviolette dans une atmosphère riche en oxygène, un processus qui favorise l’infiltration d’atomes d’oxygène le long des joints de grains du SnSe. Avec le temps, ces régions se convertissent partiellement en dioxyde d’étain (SnO₂), un oxyde isolant, tandis que les zones entre elles restent majoritairement en SnSe. La couche autrefois uniforme se transforme en une mosaïque complexe de zones conductrices et isolantes que ne trace aucun outil de lithographie classique.

Observer le film se réorganiser discrètement

Pour voir à quoi ressemble cette réorganisation cachée, les chercheurs utilisent des microscopes puissants et des sondes sensibles à la surface. La microscopie électronique montre que les films de SnSe originaux sont bien ordonnés et chimiquement uniformes : l’étain et le sélénium sont répartis de façon homogène, et le film n’a qu’environ 20 nanomètres d’épaisseur — des milliers de fois plus fin qu’un cheveu humain. Après traitement UV contrôlé, le tableau change. La microscopie à force atomique révèle une surface plus rugueuse et texturée par les grains, et des cartographies chimiques montrent l’oxygène se concentrant le long de lignes spécifiques correspondant aux joints de grains. Des mesures par rayons X suivent des atomes d’étain passant d’un état d’oxydation plus faible à un état plus élevé, confirmant la naissance progressive de régions de SnO₂ au sein de la matrice SnSe. Parallèlement, les films absorbent moins la lumière visible et leur résistivité surfacique électrique devient plus irrégulière sur la surface, signes clairs que le paysage interne est devenu hétérogène et varié.

Des chemins aléatoires aux clés numériques secrètes

Ces changements microscopiques affectent fortement la manière dont le courant circule dans les dispositifs fabriqués à partir des films. L’équipe réalise des matrices de diodes de 15 × 15 en empilant la couche de SnSe entre une plaquette de silicium et des contacts métalliques. Avant oxydation, les dispositifs se comportent de façon similaire : leurs courbes courant‑tension sont proches, et la matrice est assez uniforme. Après un bref traitement UV, cependant, chaque diode présente un mélange local différent de SnSe et de SnO₂ à sa jonction. Certains chemins deviennent plus faciles pour les électrons ; d’autres sont partiellement bloqués. Le résultat est une large dispersion de courants — couvrant plus de quatre ordres de grandeur après une oxydation plus longue — lorsque la même tension est appliquée sur l’ensemble. En choisissant un temps d’oxydation intermédiaire, les chercheurs atteignent un compromis où la dispersion est importante tout en conservant la fiabilité des dispositifs. Cette diversité est précisément ce qu’il faut pour transformer la matrice en une fonction physique non clonable (PUF) : chaque emplacement de dispositif donne un courant analogique légèrement différent qui peut être converti en un motif unique de zéros et de uns numériques.

Ajouter la lumière comme second canal secret

Le même film peut aussi répondre à la lumière, offrant une seconde source indépendante d’aléa. Lorsqu’on éclaire la matrice avec une lumière verte douce pendant qu’une tension constante est appliquée, des porteurs de charge supplémentaires sont générés dans les jonctions mixtes SnSe/SnO₂. Parce que la structure de chaque jonction est légèrement différente, les variations de courant induites par la lumière diffèrent d’un dispositif à l’autre et ne reproduisent pas simplement le comportement dans l’obscurité. L’équipe mesure des cartes de courant sous plusieurs tensions, d’abord dans l’obscurité puis sous illumination, et transforme chaque carte en clé binaire en comparant le courant de chaque diode à un seuil prédéfini. Des tests statistiques montrent que tant les clés électriques que celles assistées par la lumière présentent un équilibre quasi parfait entre zéros et uns et une grande aléatorité ; fait important, les deux modes sont faiblement corrélés. Autrement dit, éclairer la même matrice physique dévoile effectivement un second espace de clés orthogonal sans modifier le matériel.

Des empreintes stables pour le matériel sécurisé de demain

Pour toute technologie de sécurité, la stabilité est cruciale. Les chercheurs suivent des dispositifs sélectionnés pendant des semaines à l’air libre, font des cycles de tension des centaines de fois, chauffent les échantillons et les soumettent à un vieillissement accéléré. Au cours de ces tests, les niveaux de courant ne varient que légèrement et, plus important encore, conservent leur ordre relatif, de sorte que les clés numériques dérivées restent cohérentes. L’étude conclut qu’une étape simple et uniforme de post‑traitement — oxydation par UV d’un film 2D de SnSe obtenu par solution — peut transformer une couche semi‑conductrice banale en une source robuste et reconfigurable d’aléa physique. Parce que l’aléa est lié à la structure granulaire intrinsèque du film et à la formation d’oxyde plutôt qu’à un micro‑motifage délibéré, il devrait être extrêmement difficile à copier, offrant une voie prometteuse vers des empreintes matérielles intégrées et évolutives pour l’Internet des objets et au‑delà.

Citation: 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

Mots-clés: sécurité matérielle, fonction physique non clonable, matériaux 2D, selenure d’étain, oxydation des joints de grains