上海技物所团队利用MoS₂微结构的光致发光调制，实现电压可寻址光学PUF。方案结合一种静态与两种动态读出，在41种电压状态下生成可逆响应，并通过双层认证探索硬件安全应用。
上海技物所陈小双/余飞龙等：基于光致发光调制的电压可寻址光学PUF新突破
【研究背景】
随着互联化与分布式电子系统的快速扩展，硬件级安全认证已成为保障信息安全的核心防线。然而，传统加密系统正面临量子计算（如肖尔算法）带来的严峻威胁，亟需发展新型物理层安全技术。物理不可克隆函数（PUF）利用微结构固有的随机性生成不可复制的响应，在身份认证和防伪领域展现出巨大潜力。
然而，传统PUF技术在实际应用中仍面临两大瓶颈：一是静态密钥空间一旦被破解便失去安全性；二是可重构性有限，难以应对动态变化的安全需求。近期，尽管有研究尝试采用相变介质或结晶诱导等机制实现随挑战变化的读出，但这些方法往往涉及不可逆的材料变化或复杂的光学装置。因此，开发一种无需光刻工艺、可逆且具备高安全性的新型光学PUF平台，成为该领域亟待突破的关键难题。
【工作简介】
针对上述挑战，中国科学院上海技术物理研究所陈小双、余飞龙、李冠海、卢伟等团队，提出了一种基于光致发光（PL）调制的电压可寻址光学PUF新方案。该工作以多层堆叠的剥离状MoS2微结构为核心，创新性地提出了“一静态-两动态”的读出策略。
该研究不仅摆脱了对传统光刻工艺的依赖，还通过静电门控技术在41种测量电压状态下实现了可逆的电压依赖性PL读出。相关成果为构建高安全性、高稳定性的硬件认证体系提供了全新的技术路径，对推动边缘计算与物联网安全具有重要意义。
该研究的核心创新在于提出了一种无需光刻工艺、可电压寻址的光学PUF平台。在制备方面，研究人员通过粘性胶带从块状晶体中机械剥离MoS2，并采用PDMS介导的范德华组装法，将其逐层转移至高掺杂p型硅基底上。通过多次转移循环构建的层级无序结构，增强了空间随机性。随后，利用金刚石笔划线机械定义栅极与接触区域，并通过银浆沉积形成电接触。每个PUF单元为50×50 μm2的区域，被分割为20×20的像素阵列，在0.8×0.8 cm2的基底区域内可提供约25,600个可寻址PUF单元。
图1. 基于MoS2微结构的电压可寻址光学PUF制备与结构示意图
在读出机制上，该PUF平台采用了“一静态-两动态”的方案。静态明场灰度读出作为基础，同时结合两种门控依赖型光致发光响应（PL强度与PL峰值波长）。这三种响应均源自同一无序片层网络，构成了互补且部分去相关的读出通道，为高维密钥生成提供了物理基础。
为了精确表征该PUF单元的光学响应，研究团队使用了Nanobase XperRam C共聚焦拉曼光谱仪进行高分辨PL成像。测试结果表明，在41种电压状态下，基于PL强度生成的二进制“1”位概率均值稳定在0.50±0.0125，且不同电压下生成的密钥两两相似度始终低于7%，展现出较低的相关性。
在可靠性方面，41次连续测量的相似度大于97.5%，10次循环栅极切换的相似度也保持在95%以上。经过10个月的老化测试，PL强度和PL波长的总平均错误概率（TAEP）依然分别低于2×10-36和2×10-22，体现了该器件在测试条件下的长期稳定性。此外，经验位min-entropy测试显示，PL强度流、PL波长流以及灰度与PL组合流的熵值分别高达0.9744比特/位、0.9947比特/位和0.9847比特/位，接近理想状态。
图2. 基于光致发光（PL）的电压可寻址光学PUF的统计评估
基于上述多维度的光学响应，研究团队设计了一种双层认证协议。首层通过标准明场光学成像（无需电偏置）捕获的灰度图案作为低功耗、快速可获取的初步认证层；第二层系统利用具有门控依赖性的光致发光特性，生成电压依赖性且设备特定化的响应信号。这种设计使得灰度响应的微小差异能够传导至PL密钥中，产生显著偏差，从而大幅增强系统对冒充攻击、重放攻击或克隆攻击的抵抗能力。通过将灰度值（静态）、PL强度（动态）和PL波长（动态）作为互补且部分非相关的读取模态相结合，该框架基于相同的无序片层网络构建了多维认证路径。这种混合读取方案可在同一无序片层网络内实现快速初步筛查与更高特异性的PL基验证。
图3. 使用 MoS2-基电压可寻址光PUF进行分层设备认证。该协议包括基于灰度值的初步认证，随后进行电压可寻址的PL验证。
在本研究中，我们展示了一种基于空间无序、多层堆叠的微结构中光致发光调制技术的电压可寻址光学PUF平台。通过将灰度特征、光致发光强度及光致发光峰值波长作为互补且部分非相关的光学读取通道进行整合，该系统实现了具有良好密钥区分度（uniqueness）、可重复性和低认证错误概率的多维编码策略。利用门控依赖性光致发光响应特性，可在不永久改变器件物理结构的前提下实现电压可控的光学密钥生成，并扩展了可在不同测量门电压状态下实现的实验读取配置方案。
生成的二进制响应呈现出近乎理想的汉明距离分布、较低的状态内变异度、通过经验性每比特min-entropy估算出的低比特偏差，并在测试条件下保持稳定的认证性能。所提出的双层认证协议将快速灰度筛选与基于光子学的验证相结合，为实现硬件级认证所需的紧凑型、电压可寻址光学PUF提供了切实可行的方案。展望未来，随着微型光子学检测技术、集成光子学以及cmos– MoS2异构集成技术的持续进步，结合稳健的封装与环境保护策略，有望开发出适用于边缘级部署的紧凑型、低功耗且稳定的光学PUF架构。
作者：林贤杰、李欣、王晓芳、陈金、刘俊通、宋玉欣、杨佳吉、顾俊哲、陈小双、卢伟、余飞龙、李冠海
文章标题：Voltage-Addressable Optical PUF based on Photoluminescence modulation in MoS2 Microstructures
陈小双、余飞龙、李冠海、卢伟，中国科学院上海技术物理研究所。长期致力于二维材料光电器件、物理不可克隆函数及红外光电探测等领域的研究，在硬件安全与新型光电功能器件方面取得了多项创新性成果。
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