基于晶界驱动的二维 SnSe 随机氧化结实现双重电学-光学 PUF

为何微小瑕疵能保护你的数字世界

从智能门锁到联网汽车，现代设备依赖的秘密码有时会被复制或破解。本研究表明，超薄硒化锡（SnSe）晶膜内部的天然缺陷可以被转化为内建且不可克隆的“指纹”，用于每一块芯片。研究人员通过受控方式对薄膜局部“氧化”——类似轻微生锈的处理——生成复杂且随机的结构，这些结构既可电学读取也可光学读取，提供了一种无需复杂芯片设计就能实现安全防篡改硬件的新途径。

把平面薄膜变成迷宫

研究从在硅片上用溶液生长的大面积、平滑的二维半导体 SnSe 薄膜开始。表面看似均匀，但薄膜实际上由许多微小晶粒通过晶界缝合而成——这些薄弱的内部接缝处原子排列并不完全对齐。正是这些隐蔽的缝隙成为安全方案的关键。团队在富氧环境下用紫外光照射薄膜，促进氧原子沿晶界渗入 SnSe。随着时间推移，这些区域部分转化为绝缘的二氧化锡（SnO2），而它们之间的区域仍主要为 SnSe。原本均匀的层被转变为导电区与绝缘区交织的复杂马赛克，这是常规光刻工具无法绘制出的随机图案。

静观薄膜自我重排

为观测这种隐蔽重排，研究者使用高分辨显微镜和表面灵敏探针。电子显微镜显示，原始 SnSe 薄膜结构良好且化学成分均匀：锡和硒分布均匀，薄膜厚度约为 20 纳米——比人类头发要薄数千倍。经受控紫外处理后，情形发生变化。原子力显微镜显示表面变得更粗糙并呈晶粒纹理，化学成像表明氧沿特定线状区域富集，这些线路与晶界一致。X 射线测量跟踪到锡原子氧化态由较低向较高转变，证实 SnSe 基体内逐步生成 SnO2 区域。同时，薄膜对可见光的吸收减少，片电阻在表面各处变得更加不均匀，这些都是内部结构变得斑驳多样的明显信号。

从随机通路到秘密数字密钥

这些微观变化强烈影响了由薄膜制成器件中的电流分布。团队通过将 SnSe 层夹在硅片与金属电极之间，制造出 15 × 15 的微小二极管阵列。氧化前，器件表现相近：电流-电压曲线相互重合，阵列较为均匀。然而短时紫外处理后，每个二极管结处的 SnSe 与 SnO2 局部混合比例各异。一些通路更利于电子流动，而另一些则部分受阻。结果是在相同电压下，整个阵列的电流产生了宽广分布——在更长氧化时间后，电流范围跨越超过四个数量级。通过选择中等氧化时间，研究者找到一个最佳点：电流分布既大且器件仍保持可靠工作。这种多样性正是将阵列转化为物理不可克隆函数（PUF）所需的：每个位置产生稍有不同的模拟电流，可被转换为独一无二的数字零一模式。

将光作为第二条秘密通道

同一薄膜还会对光响应，为随机性提供第二条独立来源。当在保持恒定电压下用柔和的绿光照射阵列时，混合的 SnSe/SnO2 结处会产生额外的载流子。由于每个结的结构略有不同，光致电流变化在器件间的差异并不简单地重复暗态下的行为。团队在若干电压下分别在暗态与照明态下测量电流图，并将每张图通过将每个二极管的电流与预设阈值比较来转换为二进制密钥。统计测试显示，电学密钥与光学辅助密钥在零与一之间几乎达到理想平衡且随机性高；重要的是，两种模式之间仅弱相关。换言之，用光照射同一物理阵列可有效解锁第二个正交的密钥空间，而无需更改硬件。

面向未来安全硬件的稳定指纹

对任何安全技术而言，稳定性至关重要。研究者在空气中跟踪选定器件数周，进行数百次电压循环，加热样品并施加加速老化测试。在这些试验中，电流仅发生微小漂移，更关键的是保持了相对排序，因此由此派生的数字密钥保持一致。研究结论是，一个简单且均匀的后处理步骤——对溶液制备的二维 SnSe 膜进行紫外驱动氧化——即可将原本普通的半导体层转变为稳健且可重构的物理随机性来源。由于这种随机性源自薄膜固有的晶粒结构与氧化形成，而非刻意的微加工图案，因此极难复制，为物联网及更广泛领域提供了可扩展的内建硬件指纹的有希望路径。

引用: 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

关键词: 硬件安全, 物理不可克隆函数, 二维材料, 硒化锡, 晶界氧化