Человек является самым развитым с точки зрения интеллекта существом на планете Земля. Эволюция подарила нам возможность мыслить куда шире, чем на то способные другие обитатели планеты. Мы задаем вопросы и ищем на них ответы, создаем невероятные по своей сложности устройства и невообразимые по своей красоте шедевры искусства. Данное превосходство порождает множество философских сравнений и этических дебатов. Является ли интеллект корнем наших грехов и благодеяний, наших страхов и желаний, наших величайших чудес и ужасающих преступлений. Предположение о том, что лишь человек способен обманывать или воровать ложно, ведь это наблюдается и в поведении других животных, возможно лишь масштабы не сопоставимы. Тем не менее желание быстрой и легкой наживы среди людей процветает с самого начала существования цивилизации. Кто-то идет на кражу, кто-то на обман, а кто-то выбирает более изящный, но не более законный метод, — контрафакт. Изготовление подделок является серьезной проблемой современного мира, от которой страдают самые разные отрасли, от легкой промышленности до фармацевтики. В борьбе с контрафактом разрабатывают все новые и новые методы защиты оригинального товара и предупреждения потенциального покупателя о возможной подделке — водяные знаки, гравировки, уникальные метки и т. д. Но, несмотря на все эти усилия, подделки продолжают спокойно курсировать рынком. Инженеры из Гонконгского университета разработали новый метод маркировки, который, по их мнению, невозможно будет подделать, а основан он на, как не иронично, на искусственных алмазах. В чем суть этого метода, как он реализуется, и насколько он надежен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Подделки встречаются повсеместно — продукты питания, лекарства, бытовая химия, электроника и т. д. Некоторые подделки наносят лишь моральный ущерб тому, кому «повезло» стать их обладателем. Но есть и те, что могут угрожать жизни и здоровью человека.

В последние десятилетие для предотвращения подделок были разработаны различные стратегии защиты, включая водяные знаки, голограммы, штрих-коды, двумерные коды и т. д. Проблема в том, что все эти методы основаны на воспроизводимых детерминированных процессов. А если процесс детерминирован, т. е. лишен случайности, то его можно повторить.

Многообещающим по мнению многих ученых является подход, который включает использование меток безопасности с физическими неклонируемыми функциями (PUF от physical unclonable functions). PUF использует внутренние случайные вариации, вызванные недетерминированным процессом изготовления, для формирования секретного ключа, который является внутренним для PUF и не назначается внешним источником. К настоящему времени были опробованы различные типы материалов (например, металлы и полупроводники, фотонные структуры, ДНК-наноструктуры и гидрогели) и разработаны различные методы изготовления (например, капельное литье, струйная печать и самосборка), пытающиеся реализовать потенциал PUF.

Оптические PUF привлекают все большее внимание из-за присущей им случайности, управляемости и разнообразия в настройке оптических характеристик люминесцентных строительных блоков в нескольких измерениях, например, цвет флуоресценции, интенсивность и срок службы. Люминесценция этих строительных блоков (например, квантовых точек, перовскитов, полимерных точек, наночастиц с повышением частоты, плазмонных наночастиц, люминофоров и лантаноидов) может модулироваться (возбуждаться, гаситься или настраиваться) рядом внешних раздражителей (свет, тепло, химические вещества и механическая сила), что делает их многообещающими кандидатами в продвинутой криптографии.

Несмотря на свою несомненную значимость, большинство оптических PUF демонстрируют неудовлетворительную стабильность в сложных условиях. Кроме того, большинство из них производится методом мокрого химического синтеза в растворе, что может быть несовместимо с микроэлектроникой и может иметь неблагоприятное влияние на их основные функции.

Весьма популярным материалом во многих отраслях стали алмазы, ввиду их уникальных свойств — исключительная химическая инертность, превосходная механическая прочность и устойчивость к высоким температурам. В частности, различные фотолюминесцентные дефектные центры в алмазе, например центры кремниевых вакансий (SiV от silicon-vacancy), привлекли значительное внимание для множества приложений благодаря их уникальным оптическим и спектроскопическим свойствам. Стоит отметить, что расположение, распределение и концентрация этих атомных дефектов в решетке алмаза случайны из-за стохастических процессов их образования. В то же время границы поверхности, форма и геометрические размеры исходных кристаллов алмаза могут быть легко изменены методами их синтеза (например, CVD — метод химического осаждения из паровой фазы) и последующей обработки. В результате эти люминесцентные центры связаны с поверхностными свойствами, структурой и формой алмазных частиц, и их невозможно точно клонировать или подделывать.

С развитием методов CVD и контролируемого легирования стало возможным выращивать большие площади высококачественных алмазных частиц с разными цветовыми центрами на различных подложках при относительно низких затратах. Положение, размер и форма выращенных алмазных частиц сильно зависят от различных параметров роста, которые являются недетерминированными процессами (1a), удовлетворяющими критическим требованиям для изготовления маркеров из PUF.


Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают масштабируемую, надежную и интеллектуальную стратегию борьбы с подделками, основанную на ранее разработанных высококачественных микрочастицах алмазов, выращенные методом CVD, на гетерогенных подложках. Разработанные алмазные PUF демонстрируют отличные характеристики в отношении емкости, разнообразия, безопасности, технологичности, надежности и совместимости (1b). Интенсивность фотолюминесценции (PL от photoluminescence) центров SiV и картины (и спектры) светорассеяния алмазных частиц используются для обеспечения возможности многомерного оптического кодирования с большой емкостью (1c). Более того, обработка алмазных PUF после окисления воздухом делает возможной их динамическую кодирующую функцию, основанную на недетерминированном изменении сигналов фотолюминесценции SiV и/или паттернов упаковки алмазных микрочастиц. Маркеры, изготовленные на основе алмазов продемонстрировали сверхстабильность в экстремальных условиях, включая агрессивную химическую среду, высокую температуру, механическое истирание и облучение УФ-светом. Возможность мультимодального динамического кодирования и превосходная надежность алмазных PUF указывают на то, что они обладают большим потенциалом для реализации защиты от подделок.

Результаты исследования

Ранее авторы данного труда уже добились отличных результатов в области изготовления крупномасштабных алмазных микрочастиц с центрами SiV на кремниевой подложке с использованием наноалмазов HPHT (high temperature — high pressure), окисленных на воздухе с помощью соли (SAAO от salt-assisted air-oxidized), в качестве CVD затравок.

Используемый CVD процесс (1a) включал комбинацию различных недетерминированных и неклонируемых процессов — использование неклонируемых затравок*, случайное размещение затравочных частиц на подложке с помощью центрифугирования и процесс роста затравок.

Затравка* — твердая частица, внесенная в раствор, вокруг которой начинается кристаллизация.

Размер, форма и пространственное распределение микрочастиц выращенного алмаза на подложке были по своей природе случайными, что делало их многообещающими кандидатами в качестве маркеров для защиты от подделок. В то же время процесс CVD может быть легко интегрирован с современными микроэлектромеханическими системами (MEMS от microelectromechanical system) и наноэлектромеханическими системами (NEMS от nanoelectromechanical system) и может производиться серийно на пластинах (2a).


Изображение №2

Измерения показали, что выращенные микрочастицы алмаза имеют средний размер частиц около 1.32 мкм и демонстрируют точные кристаллические грани на снимках, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (2b–2d). Более того, выращенные алмазные частицы могут покрывать кремниевую пластину от 0.146% до 100% (рассчитано на площади 30 мкм × 40 мкм). Данный параметр можно регулировать путем настройки параметров роста. Рентгеноструктурный анализ (2e, 2f) указывает на чисто кристаллическую природу выращенных алмазных микрочастиц. В то же время травление подложки Si в процессе CVD приводит к образованию значительного количества легирующей примеси Si, которая может проникнуть в решетку алмаза и сформировать центры SiV с превосходными флуоресцентными свойствами (2g, 2h).


Изображение №3

Важно и то, что PUF метки должны обнаруживаться и считываться быстро, дешево и удобно. Благодаря высокому показателю преломления (~ 2.4) алмазного материала изготовленные PUF метки можно легко визуализировать с помощью портативного считывающего оборудования, например, микроскопа на базе смартфона (3a-(i)). Другими словами, сложное и дорогое оборудование для считывания меток не нужно.

На 3a-(ii) показано типичное оптическое изображение метки, полученное портативным устройством. Для создания количественных показателей, которые обычно используются для оценки качества в исследованиях PUF, оптические изображения преобразуются в ключи безопасности. Для этого изображение бинаризируется и уменьшается до размера 50 × 50 пикселей (3b, 3c). На 3c белые пиксели соответствуют светлым областям, которые исходят от сигналов светорассеяния алмазных микрочастиц на PUF метке.

Кроме того, расстояние Хэмминга (нормализованное), которое измеряет минимальное количество замен между разными строками в соответствующей матрице двоичного кодирования, соответствует нормальному распределению сгенерированных ключей. Это двоичное изображение затем используется для генерации ключей безопасности длиной 2500 бит, состоящих из 1-бит и 0-бит. Эта процедура повторялась для 100 образцов, чтобы сгенерировать 100 различных ключей безопасности. Для каждого из этих ключей рассчитываются однородность, коэффициент подобия (процент одинакового количества пикселей между двумя PUF, 3d) и расстояние Хэмминга (3e). Рассчитанные средние арифметические значения однородности (0.4996), коэффициента подобия (49.9978%) и расстояния Хэмминга (0.5000) близки к идеальным значениям (т.е. 0.5, 50% и 0.5). Это указывает на превосходную однородность, уникальность и случайность изготовленных алмазных PUF.

Ученые отмечают, что для повышения безопасности PUF меток можно дополнительно использовать спектры рассеяния алмазных частиц. Ранее уже было установлено, что спектры рассеяния алмазных частиц очень чувствительны к топологическим структурам, таким как размер, форма и кристалличность. Следовательно, точно дублировать их с идентичными спектрами было бы нецелесообразно.

На 3a-(iii) и 3a-(iv) представлены снимки микроскопии в темном поле и SEM-снимки выбранной области PUF метки. Микрочастицы распределяются случайным образом с яркими пятнами рассеяния, при этом измеряется детальная форма и соответствующие спектры рассеяния некоторых частиц (3f). Пики рассеяния в основном находятся в диапазоне от 450 до 800 нм, и каждый спектр имеет свое уникальное положение пика, интенсивность и спектральную ширину линии. В то же время, согласно СЭМ-снимкам, частицы не имеют одинаковой формы, т. е. каждая алмазная микрочастица является уникальным в своем роде образцом. Следовательно, спектры рассеяния алмазных частиц вместе с особенностями их формы и отношениями в пространственном расположении можно использовать в качестве уникальных маркеров PUF меток, как это происходит при рассмотрении отпечатков пальцев.


Изображение №4

Помимо использования сигналов светорассеяния от микрочастиц алмаза в качестве метода защиты от подделок, также можно достичь кодирования высокого уровня, используя PL сигналы от центров SiV, встроенных в решетку алмаза. Изготовленные алмазные микрочастицы с большим количеством легирующих атомов Si демонстрируют значительные сигналы SiV (2g, 2h). Было проведено кодирование PUF метки с PL интенсивностью SiV каждого пикселя на флуоресцентном изображении.

Как показано на 4a, при облучении лазером с длиной волны 532 нм PUF метка создает уникальный оптический отпечаток, т. е. конфокальное флуоресцентное изображение площадью 100 мкм × 100 мкм (4b), которое невозможно скопировать.

Благодаря большому разнообразию центров SiV в каждой алмазной частице удалось добиться высокоуровневого кодирования PL интенсивности в каждом пикселе. На 4c показан принцип четверичного, десятичного и шестнадцатеричного кодирования с использованием кумулятивной кривой интенсивности фотолюминесценции в измеренной области с 4b, обеспечивающий равномерное распределение сгенерированных ключей. На 4d–4f представлены результаты четверичного, десятичного и шестнадцатеричного кодирования.


Изображение №5

Недавние исследования показали, что модуляция фотолюминесценции SiV может быть достигнута различными методами обработки, включая термическое окисление и отжиг. Эта динамическая и управляемая система потенциально может быть кандидатом для разработки усовершенствованного метода кодирования, зависящего от времени.

Как показано на 5a, модуляция фотолюминесценции SiV в изготовленных алмазных микрочастицах достигается путем окисления воздухом (температура: 600 °C, временной интервал: 15 минут). Кроме того, алмазные микрочастицы в выбранной области не показали никаких морфологических изменений после четырех циклов обработки.

Конфокальная флуоресцентная визуализация области размером 20 мкм × 20 мкм (выделена красной пунктирной линией на 5a) в три разных момента времени — t₀, t_x (30 минут) и t_y (60 минут) указывает на явное изменение измеренной PL для каждой частицы (5b). При этом изменение интенсивности PL отличается от частицы к частице (5c). Таким образом, измеренные конфокальные флуоресцентные изображения в разное время (5b) могут быть оцифрованы в разные коды (5d), которые не имеют сильной корреляции.

Анализ подобия (5e) и расстояний Хэмминга (5f) десятичных ключей, сгенерированных в одно и то же время, подтвердил успех зависящего от времени кодирования, основанного на модуляции интенсивности PL посредством окисления воздуха.


Изображение №6

Для практического применения также важна химическая, механическая, термическая и фотостойкость исследуемых PUF меток. Для оценки этих свойств были проведены опыты, которые показали отличную устойчивость меток к щелочи (NaOH), кислоте (HCl), соли (NaCl), механическим нагрузкам, высокой температуре (400 °C) и ультрафиолетовому излучению. После этих опытов не наблюдалось явных изменений оптического отклика (6a, 6d) и морфологии микрочастиц, что указывает на их превосходную стабильность в различных сценариях использования при экстремальных условиях среды. Более того, анализ сходства (6b) и расстояний Хэмминга (6c) двоичных ключей, сгенерированных до и после обработки, не показал каких-либо отклонений. Эти результаты демонстрируют, что алмазные PUF обладают великолепной химической, механической, термической и фотостабильностью.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о новом методе защиты от подделок — алмазные PUF метки.

Изготовление подделок и противодействие этому — два связанных между собой процесса. Борьба между ними бесконечна. Одни придумывают новые методы защиты, а другие — новые методы ее обойти. Подобная картина наблюдается и в сфере цифровой безопасности: появляется новый антивирус, затем вирус, который его обходит, и т.д.

Технологическая гонка в борьбе с контрафактом породила голограммы, термохромные чернила, радиочастотные идентификационные метки и т. д. Но поддельных товаров меньше не стало, скорее их стало сложнее отличить от настоящих, ведь для их изготовления используются те же современные методы и технологии.

Дабы создать нечто, что не подлежит копированию или имитации, необходимо внести в процесс изготовления немного случайности. Авторы рассмотренного нами сегодня труда это и сделали, разработав PUF (физически неклонируемые функции) метки на основе алмазных микрочастиц.

Данные метки были изготовлены методом химического осаждения из паровой фазы, в ходе которого частицы алмазов наносились на кремниевую подложку. Алмазные микрочастицы, будучи уникальными по форме и размеру, образуют уникальный паттерн, когда рассеиваются на подложке. Такой паттерн невозможно воспроизвести, и поэтому он рассеивает свет уникальным образом. Проще говоря, он формирует уникальный «отпечаток». Важно и то, что этот отпечаток легко сканируется обычным смартфоном.

Второй уровень уникальности и, следовательно, безопасности обусловлен тем фактом, что эти алмазные микрочастицы имеют дефекты, известные как центры кремниевых вакансий (SiV). За счет SiV микрочастицы излучают фотолюминесценцию в ближнем инфракрасном диапазоне, когда на них светит зеленый свет. Полученные таким образом оптические отклики можно оцифровать в коды очень высокой сложности и безопасности.

Долговечность и устойчивость разработанных меток также была проверена на практике. Тесты показали, что они сохраняют свои свойства после химической, термической или тепловой обработки. Немало важен и тот факт, что изготовление таких меток чрезвычайно дешевое — 10000 единиц размером 200 х 200 мкм стоит порядка 1 доллара США. По словам ученых, их творение будет отличным инструментом для защиты от подделок самых разных товаров, от продуктов питания до ювелирных изделий.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?