不可被复制的防伪方案：金刚石防伪标签

据了解
，，，尽管许多国家均已出台法律打击造假和盗版现象
。。但是，，，
，该类现象依然普遍存在于日常生活中。。。
。一旦消费品、、、药品、
、、、高科技产品存在制造掺假
，，必将极大地威胁人类健康。。

（来源：Nature Communications）

迄今为止
，
，，人们已经开发出各种防伪标签策略，，，，包括水印
、
、
、全息图
、、、条形码和二维码等。。。

然而，，，这些方法大多采用可复制的确定型制作过程，，，对于这些标签中的编码信息来说，，，，很容易遭到第三方的伪造和攻击。。。

因此，
，很有必要开发出真正牢不可破的防伪标签，
，，以打击各种造假行为。。而在近年来，，，利用具有物理不可克隆功能的防伪标签
，，
，逐渐引起学界的关注。。。

对于物理不可克隆功能来说，
，它能够通过非确定性的制造过程，
，，来引入内在随机属性进而形成密钥
。。

这种内在的随机属性，，，，和人类独特的指纹信息非常相似。。此前，，，，科学家已经实现了物理不可克隆的防伪能力。。。同时，，光学物理的不可克隆也已成为热门研究方向之一。。。

据介绍
，，，光学构件具有以下特征：其荧光颜色、、强度和寿命值，，可以被一系列的外部刺激所调制。。这让光学构件成为制备先进防伪标签的理想材料。。。。

但是，
，
，在高温、、强酸等复杂环境中
，，大多数光学 PUF 标签的稳定性都比较差。
。。此外，
，，，在制备这类标签的时候，，，，人们一般使用湿化学合成法在溶液中生成。
。

这导致它们可能无法和微电子器件进行兼容
，，，并且会对微电子器件的自身功能产生不利影响
。。

受限于生成成本、、、、以及难以生长高品质金刚石的痛点，，此前人们很少利用金刚石作为防伪标签。。。

之前，，，团队曾使用纳米金刚石的加盐辅助氧化，，来纯化金刚石 [2]；并使用纯化后的纳米金刚石作为化学气相沉积晶种，，，，从而在硅片上以异质的形式，
，，，生长出富含高质量硅空位色心的金刚石微米颗粒 [3] 。。。

基于此，，他们考虑到金刚石的化学气相沉积生长过程中，，，涉及到各种随机的不可克隆过程，，，，包括使用不可克隆的晶种、、通过旋涂将晶种随机分布在硅基底上
、
、、以及种子的后续生长过程。。
。

在基底上生长的金刚石颗粒，，，，其大小、
、、、形状和空间分布都是随机、、且不可克隆的。。。而要想造出合格的防伪标签，，，，必须满足在物理上不可克隆的要求。。。基于此，，，他们开展了利用金刚石来打造防伪标签的课题。。。。

（来源：Nature Communications） 

近年来，，，
，凭借特殊的化学惰性、、
、优异的机械强度、、以及高温稳定性等特点，，，金刚石材料已被用于诸多领域
。。。

同时，，，，金刚石晶体中的各种发光色心，，，，比如氮空位（NV，，Nitrogen Vacancy）色心、
、、、硅空位（SiV
，，，，Silicon Vacancy）色心，，，，，由于其独特的光学和光谱特性，，也在多个应用领域引起了广泛关注。。。

据了解，，
，金刚石材料的表面化学性质、、形状和几何尺寸，，都可以通过合成方法和后处理方法进行调节
。。
。

因此，，
，金刚石晶体内嵌入色心的光学特性，，
，，对于表面化学性质、、、、结构、、形状具有较高的敏感性，，
，所以很难被准确地克隆或伪造。。。

尤其是，，硅空位色心在 737nm 附近，，
，表现出肉眼不可见的近红外发射，
，，
，只有商用相机才能捕捉到这种信号，，，，这让区分保密信息和干扰信息的难度得以降低。
。。
。

而化学气相沉积技术和可控掺杂技术的发展，
，也让以相对较低的成本，
，，，在各种基底上生长出高质量、、、、大面积、、、、且含有不同色心的金刚石材料成为可能
。。。。

采用化学气相沉积技术生长的金刚石颗粒，，，其位置、、尺寸和形状高度，，，主要依赖于具体操作时所设置的各种参数
，，例如晶种、、
、成核和生长过程等。
。
。而这些都是高度随机的过程，，，，因此能为制造 PUF 标签创造关键的条件。。。

（来源：Nature Communications）

之前，
，，，人们通过在衬底上滴涂或旋涂预先合成的颗粒来制作防伪标签。
。相比之下，，该团队是直接在硅衬底上，，通过一步化学气相沉积法
，，以异质的方式生长出来“金刚石-PUF 标签”，，这可以极大保证金刚石颗粒与硅衬底之间强的结合力，，
，，确保该标签作为一个整体器件的稳定性。
。。。

而基于金刚石颗粒中硅空位信号
，，，，来进行动态编码的核心在于：通过后处理的方法比如加热氧化
，，，来调制每个颗粒中硅空位信号的强弱变化。
。

本质上，
，它的编码原理与硅空位静态编码保持一致，，都是通过分析每个金刚石颗粒中硅空位信号的强弱来进行编码。。只不过在加热氧化处理之后，，，同一颗粒的硅空位信号强度会发生变化
，，，，而它的编码信息也会随之发生变化
，，例如从“4”变为“2”。。
。

同时，
，，，每个金刚石颗粒中的硅空位信号都是随机变化的，，，
，这样就能针对同一个“金刚石-PUF 标签”实现动态编码
。。。

当原始标签的 PUF 密钥面临恶意攻击或被复制的风险时，，
，，在动态编码功能的帮助之下
，，，就能让经过处理之后的原始标签，，，，产生新的 PUF 密钥，，从而让用户可以继续放心使用。。

关于动态编码这一过程，
，，，其实是研究人员在无意间发现的。。。其表示：“我们原本是想通过加热氧化的手段，，，来提高硅空位的信号强度
。。。。但是，，，
，分析实验结果之后却意外发现
：借助加热氧化可以实现硅空位的动态编码。。。”

而当利用金刚石进行防伪时
，，，，主要涉及到从低级到高级、、从静态到动态防伪的四种方法。。。

由于金刚石颗粒的物理分布比较简单，，，，因此可以实现静态二进制的编码。。同时，
，，金刚石颗粒的散射光谱、、、、以及内部硅空位色心的光致发光强度，，，，可以用来实现大容量的多进制光学编码。
。

此外，，，，使用加热氧化的方法处理“金刚石-PUF 标签”之后，，还可以对硅空位光致发光信号实现随机调制，
，进而实现动态编码的功能。
。。。

基于“金刚石-PUF 标签”的多模式防伪功能，，，，用户可以根据不同应用场景，，，，来选择相应的防伪方式。。

具体来说：既可以通过移动设备迅速读出来，，以满足快速认证的要求；又可以通过精密仪器读出来，，，，以满足高级别安全性的要求。。。。

研究中所使用的金刚石样品，，，均由北京大学东莞光电研究院教授团队提供。
。。事实上，，，只要一种材料的晶体能产生色心，，那么使用其他无机材料也能达到防伪的效果。
。。例如，，，，通过在碳化硅（SiC）材料引入硅空位色心，，同样可以发挥防伪作用。。。。

而在本次研究中，
，对于金刚石防伪标签的原理和方法，，，，该团队已经进行了系统性的研究，，，，也进行了相应的编码展示和稳定性测试。
。。

尊龙时凯是一家致力于推动金刚石研究和产业化的公司，
，，目前已推动激光器、、
、、LED
、、医疗器械
、、、航空航天
、
、国防军工等领域的金刚石国产化替代。。。
。现已有金刚石热沉片、、晶圆级金刚石、
、
、、金刚石基氮化铝、、、、金刚石与氮化镓及硅等材料异质集成
。。为各领域应用，
，提供专业领先的金刚石热管理解决方案。
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