2B SnSe’de tane sınırı kaynaklı stokastik oksit birleşimi, çift elektriksel-optik PUF’lar sağlıyor

Neden küçük kusurlar dijital yaşamınızı koruyabilir

Akıllı kilitlerden bağlı arabalara kadar modern cihazlar, bazen kopyalanabilen veya hacklenebilen gizli kodlara dayanır. Bu çalışma, ultraince bir kalay selenür (SnSe) kristal filminin içindeki doğal kusurların her çip için yerleşik, klonlanamaz bir “parmak izi” haline getirilebileceğini gösteriyor. Filmin bazı bölümlerini kontrollü şekilde hafifçe oksitleyerek araştırmacılar, elektriksel ve optik olarak okunabilen karmaşık, rastgele bir desen oluşturuyor; böylece karmaşık çip tasarımları olmadan güvenli, tahribata dirençli donanım için yeni bir yol sunuluyor.

Düz bir filmi labirente dönüştürmek

Çalışma, silikon waferlar üzerinde çözelti yoluyla büyütülmüş, düzgün, büyük alanlı iki boyutlu bir yarı iletken olan SnSe filmleriyle başlar. Yüzey tekdüze görünse de film aslında birbirine tane sınırlarıyla bağlanmış çok sayıda küçük kristal tanecikten oluşur—atomların kusursuz hizalanmadığı ince iç dikişler. Bu gizli dikişler güvenlik planının anahtarı haline gelir. Ekip, filmleri oksijen zengini bir ortamda ultraviyole ışığa maruz bırakır; bu işlem oksijen atomlarının tane sınırları boyunca SnSe içine girmesini teşvik eder. Zamanla bu bölgeler kısmen yalıtkan bir oksit olan kalay dioksit (SnO₂) hâline dönüşürken aralarındaki boşluklar büyük ölçüde SnSe olarak kalır. Bir zamanlar tekdüze olan katman, sıradan litografi araçlarının asla çizemeyeceği iletken ve yalıtkan bölgelerin karmaşık bir mozaiğine dönüşür.

Filmin sessizce yeniden düzenlenmesini izlemek

Bu gizli yeniden düzenlemenin nasıl göründüğünü görmek için araştırmacılar güçlü mikroskoplar ve yüzey duyarlı problar kullanır. Elektron mikroskopisi, orijinal SnSe filmlerinin iyi düzenlenmiş ve kimyasal olarak tek tip olduğunu; kalayın ve selenyumun eşit dağıldığını ve filmin insan saçından binlerce kat ince olan yaklaşık 20 nanometre kalınlığında olduğunu gösterir. Kontrollü UV işlemi sonrası tablo değişir. Atomik kuvvet mikroskopisi daha pürüzlü, tane dokulu bir yüzey ortaya koyar ve kimyasal haritalar oksijenin tane sınırlarıyla eşleşen belirli çizgiler boyunca yoğunlaştığını gösterir. X-ışını ölçümleri kalay atomlarının daha düşük bir oksidasyon halinden daha yüksek bir hale geçtiğini izler ve SnSe matrisinin içinde SnO₂ bölgelerinin kademeli olarak oluştuğunu doğrular. Aynı zamanda filmler görünür ışığı daha az soğurur ve yüzey boyunca elektriksel tabaka direnci daha düzensiz hale gelir; bunlar, iç peyzajın yamalı ve çeşitli hâle geldiğinin açık işaretleridir.

Rastgele yollardan gizli dijital anahtarlara

Bu mikroskobik değişiklikler, filmlerden yapılan cihazlarda akımın nasıl aktığını güçlü şekilde etkiler. Ekip, SnSe katmanını bir silikon wafer ile metal kontaklar arasına yerleştirerek 15 × 15 küçük diyot dizileri üretir. Oksidasyondan önce cihazlar benzer davranır: akım–gerilim eğrileri birbirine yakın hizalanır ve dizi oldukça tekdüzedir. Ancak kısa bir UV işleminden sonra her diyot, birleşim bölgesinde farklı bir yerel SnSe ve SnO₂ karışımı görür. Bazı yollar elektronlar için daha kolay hâle gelir; diğerleri kısmen engellenir. Sonuç, aynı voltaj uygulandığında cihazlar arasında—daha uzun oksidasyonda dört mertebe büyüklüğünden fazla yayılan—geniş bir akım dağılımıdır. Araştırmacılar ara bir oksidasyon süresi seçerek yayılımın büyük ama cihazların hâlâ güvenilir çalıştığı bir denge yakalar. Bu çeşitlilik, diziyi fiziksel olarak klonlanamaz bir fonksiyona (PUF) dönüştürmek için tam gereken şeydir: her cihaz konumu, benzersiz bir sıfır ve bir desenine dönüştürülebilen hafifçe farklı bir analog akım verir.

Işığı ikinci bir gizli kanal olarak eklemek

Aynı film ışığa da yanıt verebilir ve ikinci, bağımsız bir rastgelelik kaynağı sağlar. Diziye sabit bir voltaj uygulanırken hafif yeşil ışıkla aydınlatıldığında, karışık SnSe/SnO₂ birleşim bölgelerinde ek taşıyıcılar üretilir. Her birleşimin yapısı biraz farklı olduğu için ışıkla indüklenen akım değişimleri cihazdan cihaza farklılık gösterir ve sadece karanlık davranışın bir yansıması olmaz. Ekip birkaç voltaj altında önce karanlıkta sonra aydınlatmada akım haritaları ölçer ve her haritayı, her diyottaki akımı önceden belirlenmiş bir eşik değeriyle karşılaştırarak ikili bir anahtara dönüştürür. İstatistiksel testler, hem elektriksel hem de ışık destekli anahtarların sıfırlar ve birler arasında neredeyse mükemmel denge ve yüksek rastgelelik gösterdiğini; önemli olarak, iki modun yalnızca zayıf korelasyonlu olduğunu ortaya koyar. Başka bir deyişle, aynı fiziksel diziye ışık tutmak donanımı değiştirmeden etkili bir şekilde ikinci, ortogonal bir anahtar alanı açar.

Geleceğin güvenli donanımı için kararlı parmak izleri

Her güvenlik teknolojisi için kararlılık kritiktir. Araştırmacılar seçilmiş cihazları haftalarca havada izler, voltajları yüzlerce kez döngüye sokar, numuneleri ısıtır ve hızlandırılmış yaşlandırmaya tabi tutar. Bu testler boyunca akım seviyeleri yalnızca hafifçe kayar ve daha da önemlisi, göreli sıralamalarını korur; böylece türetilen dijital anahtarlar tutarlı kalır. Çalışma, basit ve tekdüze bir sonrası işlem adımının—çözeltiyle işlenmiş 2B SnSe filminin UV ile tahrik edilen oksidasyonu—aksi takdirde sıradan bir yarı iletken katmanı sağlam, yeniden yapılandırılabilir bir fiziksel rastgelelik kaynağına dönüştürebileceği sonucuna varıyor. Rastgeleliğin kasıtlı mikro‑örneklemeye değil, filmin iç tane yapısına ve oksit oluşumuna bağlı olması nedeniyle kopyalanması son derece zor olmalıdır; bu da Nesnelerin İnterneti ve ötesi için ölçeklenebilir, yerleşik donanım parmak izlerine yönelik umut verici bir yol sunar.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: donanım güvenliği, fiziksel klonlanamaz fonksiyon, 2B malzemeler, kalay selenür, tane sınırı oksidasyonu