二維材料於密碼學的應用

■科學家製作出完全隨機分配0、1的二維材料二硫化鉬陣列做為防偽及認證之用。

圖一。Credit: NYU Tandon

撰文|方程毅

密碼學向來是科學家頭痛的問題,在資訊爆炸的年代,資料保護及防偽變得更加重要。在這麼多加密及認證的技術中,量子識別是一支新興領域。我們曾在<量子識別:不用密碼的防偽>中介紹相關概念。該文後半段提到二維材料可用於製造「物理上不可複製函數(Physical Unclonable Function, PUF)」。本文將實際舉出一個例子,證明科學家提出的構想是可行的。

美國紐約大學電機系(Department of Electrical and Computer Engineering, New York University)的Davood Shahrjerdi教授的實驗室利用精準的製程控制,製作出具有2048個像素且0、1完全隨機分配的二維材料二硫化鉬陣列,研究結果發表於美國化學協會的 ACS Nano 期刊。其工作原理很簡單,在2048個像素上,每一個位置都代表0或1,也就是說有2的2048次方種組合。每一片二硫化鉬被製造出來時,每個像素到底會是0還是1都是隨機的,利用光學技術讀取就可以知道每一片上面的0 1分佈,快速且簡易。

二硫化鉬上的0跟1實際上長怎樣?

二硫化鉬是一個二維材料,「理論上」應該要由僅僅單層二硫化鉬分子組成二維平面狀無線延伸的結構(就像單層石墨:石墨烯(Graphene))。但在實際製造上不會這麼理想,在某些區域會由雙層二硫化鉬(或多層)構成。如果我們定義單層二硫化鉬為1;雙層為0,再將一整片二硫化鉬進行分區,每個區塊測量它是單層或多層組成即可。研究團隊將一個長256微米(μm)、寬128微米的二硫化鉬區域切分成64*32的區塊,每一個區塊(像素)長寬皆為2微米,像素間距也是2微米。接著測量每一個像素是由幾層二硫化鉬組成,得知這片二硫化鉬在2048個像素分別的0、1值後,即可做為防偽或認證的陣列了。

測量上0跟1怎麼分辨?

二硫化鉬根據組成層數,其光學性質有所不同。單層二硫化鉬會光致發光(photoluminescence, PL),也就是當材料受到光激發後會自我放光,但雙層則否。因此只要對一片二硫化鉬照射雷射光後,測量發光行為,發光區域為1、不發光區域為0即可。圖一便是在解釋這個機制。

這樣一片二硫化鉬要怎麼做?

二硫化鉬的製備方式為化學氣相沉積(chemical vapor deposition (CVD))。原理是利用高溫將固態的硫以及三氧化鉬­分別氣化,讓鉬以及硫在高溫狀態以氣相結合,在基板上形成薄薄單層(或雙層) 二硫化鉬。氣相沉積反應會受到溫度、壓力或時間等參數影響,在適當調整參數後(這或許是整個研究中最困難的一步),二硫化鉬便可以以單層或雙層的方式出現。

在修正製程參數後,研究團隊也利用統計證明了單層及雙層的出現機率是一半一半,且在一大片二硫化鉬上的分布是隨機的,這樣便能保證能做為防偽或加密用。這個製程的好處是,就算一模一樣的製造條件,也不會產生一模一樣的分布,每一片都是獨一無二不可複製的。因此二硫化鉬便可做為某些物品的「身分證」或「指紋」。

 

原始論文:Alharbi, Abdullah, Darren Armstrong, Somayah Alharbi, and Davood Shahrjerdi. "Physically Unclonable Cryptographic Primitives by Chemical Vapor Deposition of Layered MoS2." ACS nano (2017).

參考資料:

  1. http://engineering.nyu.edu/press-releases/2017/11/29/ultimate-defense-against-hackers-may-be-just-few-atoms-thick
  2. Alharbi, Abdullah, Percy Zahl, and Davood Shahrjerdi. "Material and device properties of superacid-treated monolayer molybdenum disulfide." Applied Physics Letters110, no. 3 (2017): 033503.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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