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。。
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