ממשק תחמוצתי סטוכסטי מונע על‑ידי גבולות גרעין ב‑SnSe דו‑ממדי מאפשר פונקציות פיזיות בלתי‑משוכתבות חשמליות‑אופטיות כפולות

מדוע פגמים זעירים יכולים להגן על חיי הדיגיטליים שלכם

מכשירים מודרניים — ממנעולים חכמים ועד רכבים מחוברים — מסתמכים על קודים סודיים שלעיתים ניתנים לשכפול או פריצה. המחקר הזה מראה כיצד הפגמים הטבעיים בתוך סרט גבישי דקיק של סידן סֶלניוּם (SnSe) ניתנים לשימוש כ"טביעת אצבע" מובנית ובלתי‑ניתנת לשכפול עבור כל שבב. בעזרת חמצון מבוקר של חלקי הסרט, החוקרים יוצרים תבנית אקראית מורכבת שניתן לקרוא אותה חשמלית ואופטית, ומציעים מסלול חדש לחומרה מאובטחת ועמידה בהתערבות ללא צורך בעיצובים חבויים ומדויקים של שבבים.

הפיכת סרט שטוח למבוך

העבודה מתחילה בסרטים שטוחים, בעלי שטח גדול, של מוליך־חצי מוליך דו‑ממדי SnSe שגדלו מתמיסה על וופרים של סיליקון. למרות שהמשטח נראה אחיד, הסרט מורכב למעשה מהרבה גרעינים גבישיים זעירים המחוברים זה לזה באמצעות גבולות גרעין — תפרים פנימיים דקים שבהם האטומים אינם מיושרים באופן מושלם. התפרים הנסתרים האלה הופכים למפתח בסכמת האבטחה. הצוות חושף את הסרטים לאור אולטרה‑סגול בסביבה עשירה בחמצן, תהליך שמעודד אטומי חמצן לחדור ל‑SnSe לאורך גבולות הגרעין. עם הזמן, אזורים אלה עוברים חלקית המרה לתרכובת תחמוצת הבזלת של הבַצָּר (SnO₂), חומר מבודד, בעוד שהמרווחים ביניהם נשארים בעיקר SnSe. השכבה האחידה מתהפכת לאוסף מסובך של אזורי הולכה ובידוד שאף כלי ליתוגרפיה קונבנציונלי לא יצר מעולם.

להסתכל על הסרט כשהוא מתארגן בשקט

כדי לראות איך המארג החבוי הזה נראה, החוקרים משתמשים במיקרוסקופים חזקים וחישת שטח רגישה. מיקרוסקופ אלקטרונים מראה שהסרטים המקוריים של SnSe מסודרים היטב וכימית אחידים: בדיל ובסלניום מפוזרים באופן שווה, ועובי הסרט הוא כ‑20 ננומטר — אלפי פעמים דק יותר משערת אדם. לאחר טיפול UV מבוקר, התמונה משתנה. מיקרוסקופ כוח אטומי חושף משטח מחוספס יותר בעל טקסטורת גרעינים, ומפות כימיות מצביעות על ריכוז חמצן לאורך קווים ספציפיים התואמים את גבולות הגרעין. מדידות קרני רנטגן עוקבות אחרי שינוי מצב החמצון של אטומי הבדיל, ומאשרות את היווצרותם ההדרגתית של אזורי SnO₂ בתוך מטריצת ה‑SnSe. במקביל, הסרטים סופגים פחות אור נראה ועמידותם החשמלית על פני המשטח נעשית בלתי‑אחידה יותר — סימנים ברורים שהנוף הפנימי הפך להיות מקוטע ומגוּון.

מפני נתיבים אקראיים למפתחות דיגיטליים סודיים

השינויים המזעריים האלה משפיעים בעוצמה על אופן זרימת הזרם במכשירים מבוססי הסרטים. הצוות מייצר מערכים בגודל 15 × 15 של דיודות זעירות על‑ידי הצבת שכבת ה‑SnSe בין וופר הסיליקון למגעים מתכתיים. לפני החמצון המכשירים מתנהגים באופן דומה: עקומות הזרם‑מתח שלהם תואמות בצורה הדוקה, והמַערָּך די אחיד. לאחר טיפול UV קצר, לעומת זאת, כל דיודה חווה תמהיל מקומי שונה של SnSe ו‑SnO₂ במפגש שלה. חלק מהנתיבים הופכים קלים יותר לאלקטרונים; אחרים נחסמים חלקית. התוצאה היא פיזור רחב של זרמים — שמתפרש על יותר מארבע דרגות גודל לאחר חמצון ממושך — כאשר המתח זהה על פני המערך. בבחירת זמן חמצון בינוני, החוקרים מגיעים לנקודת איזון שבה הפיזור גדול אך המכשירים עדיין פועלים באופן אמין. הגיוון הזה הוא בדיוק מה שנדרש כדי להפוך את המערך לפונקציה פיזית בלתי‑משוכתבת (PUF): כל מיקום במכשיר נותן זרם אנלוגי מעט שונה שניתן להמיר לתבנית ייחודית של אפסים ואחדים דיגיטליים.

הוספת אור כערוץ סודי שני

אותו סרט יכול גם להגיב לאור, ומספק מקור נוסף ועצמאי של אקראיות. כאשר המערך מואר באור ירוק עדין בעוד שמתח קבוע מוחל, מולדי מטען נוספים נוצרים במפגשי ה‑SnSe/SnO₂ המעורבים. מאחר שמבנה כל מפגש שונה במעט, השינויים בזרם המיוצר על‑ידי האור משתנים ממכשיר למכשיר באופן שאינו משקף פשוט את ההתנהגות בחושך. הצוות מודד מפות זרם תחת מספר מתחים, ראשית בחושך ולאחר מכן תחת תאורה, והופך כל מפה למפתח בינארי על‑ידי השוואת הזרם בכל דיודה לסף שהוגדר מראש. בדיקות סטטיסטיות מראות שלשני המפתחות — החשמליים והמאושרים באור — יש כמעט איזון מושלם בין אפסים ואחדים ורמת אקראיות גבוהה; וחשוב מכך, שני המצבים הם בעלי קורלציה חלשה בלבד. במילים אחרות, הצפת אותו מערך פיזי באור פותחת ביעילות מרחב מפתחות שני, אורטוגונלי, בלי לשנות את החומרה.

טביעות אצבע יציבות לחומרה מאובטחת בעתיד

בכל טכנולוגיית אבטחה, יציבות היא קריטית. החוקרים עקבו אחרי מכשירים נבחרים במשך שבועות באוויר, סיבבו מתחים מאות פעמים, חיממו את הדגימות וחשפו אותן להזדקנות מואצת. לאורך הבדיקות הללו, רמות הזרם משתנות מעט בלבד ויותר מכך — שומרות על המיקום היחסי שלהן, כך שהמפתחות הדיגיטליים הנגזרים נשמרים עקביים. המחקר מספק מסקנה כי שלב פוסט‑טיפול פשוט ואחיד — חמצון מונע UV של סרט SnSe מעובד מתמיסה — יכול להפוך שכבה חצי‑מוליכה רגילה למקור קבוע, ניתן לכוונון של אקראיות פיזית. מאחר שהאקראיות קשורה למבנה הגרעיני הפנימי של הסרט וליצירת התחמוצת יותר מאשר לידי ליתוגרפיה מכוונת, היא צפויה להיות קשה להעתקה, ומציעה נתיב מבטיח לטביעות אצבע חומריות מובנות בקנה‑מידה גדול עבור האינטרנט של הדברים ומעבר לכך.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אבטחת חומרה, פונקציה פיזית בלתי‑משוכתבת, חומרים דו‑ממדיים, סеленיד אבץ, חמצון גבול גרעין