Случайные окисные переходы на границах зерен в 2D SnSe обеспечивают двойные электрические и оптические PUF

Почему крошечные дефекты могут защищать вашу цифровую жизнь

Современные устройства — от умных замков до подключённых автомобилей — полагаются на секретные коды, которые иногда можно скопировать или взломать. В этом исследовании показано, как природные несовершенства внутри ультратонкой кристаллической плёнки селенидa олова (SnSe) можно превратить во встроенный, неклонируемый «отпечаток» для каждого чипа. Контролируемо подвергая часть плёнки легкому «ржавлению» (окислению), исследователи создают сложный случайный узор, который можно считывать электрически и оптически, открывая новый путь к защищённому, устойчивому к взлому оборудованию без сложной микросхемойной разметки.

Преобразование ровной плёнки в лабиринт

Работа начинается с гладких, больших по площади плёнок двумерного полупроводника SnSe, выращенных из раствора на кремниевых подложках. Хотя поверхность кажется однородной, плёнка фактически состоит из множества крошечных кристаллических зерен, соединённых границами зерен — тонкими внутренними швами, где атомы не совпадают идеальным образом. Эти скрытые швы становятся ключом к схеме безопасности. Команда облучает плёнки ультрафиолетом в кислородосодержащей среде — процесс, который способствует внедрению атомов кислорода вдоль границ зерен в SnSe. Со временем эти области частично превращаются в диоксид олова (SnO₂), изолирующий оксид, тогда как пространства между ними остаются в основном SnSe. Раньше ровный слой превращается в замысловатую мозаику проводящих и изолирующих зон, которую ни одна обычная литография не нарисует.

Наблюдение за тихой перестройкой плёнки

Чтобы увидеть, как выглядит эта скрытая перестройка, исследователи используют мощные микроскопы и поверхностно-чувствительные зондовые методы. Электронная микроскопия показывает, что исходные плёнки SnSe хорошо упорядочены и химически однородны: олово и селен равномерно распределены, а толщина плёнки составляет около 20 нанометров — в тысячи раз тоньше человеческого волоса. После контролируемой УФ-обработки картина меняется. Атомно-силовая микроскопия показывает более шероховатую, зернистую поверхность, а химические карты демонстрируют концентрацию кислорода вдоль линий, совпадающих с границами зерен. Рентгеновские измерения фиксируют переход атомов олова в более высокое состояние окисления, подтверждая постепенное формирование областей SnO₂ внутри матрицы SnSe. Одновременно плёнки хуже поглощают видимый свет, а их удельное сопротивление по поверхности становится более неоднородным — явные признаки того, что внутренний ландшафт стал пятнистым и разнообразным.

От случайных путей к секретным цифровым ключам

Эти микроскопические изменения сильно влияют на протекание тока через устройства, изготовленные из плёнок. Команда формирует массивы из 15 × 15 крошечных диодов, помещая слой SnSe между кремниевой подложкой и металлическими контактами. До окисления устройства ведут себя похоже: их вольт-амперные характеристики совпадают, и массив довольно однороден. Однако после краткой УФ-обработки каждый диод получает разный локальный набор SnSe и SnO₂ в своей переходной зоне. Некоторые пути становятся более благоприятными для электронов; другие — частично заблокированы. В результате при подаче одинакового напряжения по массиву наблюдается широкий разброс токов — более чем на четыре порядка после длительного окисления. Выбирая среднее время окисления, исследователи находят компромисс, при котором разброс велик, но устройства остаются работоспособными и стабильными. Это разнообразие как раз то, что нужно, чтобы превратить массив в физически неклонируемую функцию (PUF): каждое положение даёт слегка отличающийся аналоговый ток, который можно преобразовать в уникальный цифровой шаблон нулей и единиц.

Добавление света как второго секретного канала

Та же плёнка также реагирует на свет, обеспечивая второй, независимый источник случайности. При освещении массива мягким зелёным светом на постоянном напряжении в смешанных переходах SnSe/SnO₂ генерируются дополнительные носители заряда. Поскольку структура каждого перехода немного различается, изменения света-индуцированного тока варьируют от устройства к устройству и не просто повторяют поведение в темноте. Команда снимает карты тока при нескольких напряжениях — сначала в темноте, затем при освещении — и превращает каждую карту в двоичный ключ, сравнивая ток в каждом диоде с заранее установленным порогом. Статистические тесты показывают, что как электрические, так и световой ключи обладают почти идеальным балансом нулей и единиц и высокой случайностью; что важно, два режима слабо коррелированы. Иными словами, освещая ту же физическую матрицу, можно эффективно получить второй, ортогональный набор ключей без изменения аппаратуры.

Стабильные отпечатки для будущего защищённого оборудования

Для любой технологии безопасности стабильность критична. Исследователи отслеживали выбранные устройства в течение недель на воздухе, прогоняли циклы напряжений сотни раз, нагревали образцы и подвергали ускоренному старению. В этих тестах уровни тока смещаются лишь незначительно и, что более важно, сохраняют относительный порядок, так что производные цифровые ключи остаются последовательными. Исследование делает вывод, что простой, единообразный этап последующей обработки — УФ‑индуцированное окисление растворопроцессированной 2D‑плёнки SnSe — может превратить обычный полупроводниковый слой в надёжный, перенастраиваемый источник физической случайности. Поскольку случайность связана с внутренней зеренной структурой плёнки и образованием оксидов, а не с преднамеренной микропаттернизацией, её будет чрезвычайно трудно воспроизвести, что открывает перспективный путь к масштабируемым встроенным аппаратным «отпечаткам» для Интернета вещей и не только.

Цитирование: 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

Ключевые слова: аппаратная безопасность, физически неклонируемая функция, 2D материалы, селенид олова, окисление на границах зерен