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。
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：
- http://engineering.nyu.edu/press-releases/2017/11/29/ultimate-defense-against-hackers-may-be-just-few-atoms-thick
- 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。
