郑州大学董林教授、单崇新教授：双色心金刚石驱动的可隐藏物理不可克隆函数用于高维信 ...

背景介绍

印刷伪造品（如伪钞、伪造印章与仿制艺术品）至今仍是全球性难题，其危害不仅体现在破坏经济秩序，更涉及公共利益、知识产权安全，甚至威胁社会稳定与人类安全。为应对伪造技术的迭代升级，现代防伪手段相继发展，包括水印、全息印刷、荧光/磷光油墨及磁性油墨等。然而，传统的确定性编码机制在面对日益精密的克隆技术时逐渐显现局限。物理不可克隆函数（PUF）因利用材料固有的随机物理特征生成唯一标识符，被视为是一种极具前景的解决方案。近年来，基于拉曼散射、光致发光、偏振效应、光衍射、分形结构及表面褶皱等多种物理特性的PUF已被开发并应用于防伪领域。尽管PUF在安全性方面具有天然优势，但随着机器学习等技术的发展，单一模式的挑战-响应机制已难以满足高等级安全需求。相比之下，多模式PUF通过整合不同的防伪结构或响应模式，利用其协同效应，显著提升了系统的编码容量上限。同时，PUF与二维码等防伪手段的集成，或组合基于不同物理特性的PUF，亦为提升安全性与可靠性提供了可行途径。然而，不同信号层之间潜在的串扰问题将严重影响编码的独立性，且传统的编码思路亦限制了PUF在加密应用中的灵活性与拓展性。

成果简介

针对上述瓶颈，本研究提出了一种基于双色心金刚石的物理不可克隆函数（D-PUF）墨水，并构建了具备多级隐藏特性的加密认证协议。研究者通过将双色心金刚石分散于7-氨基-4-甲基香豆素（AMC）的醇水溶液中，成功制备出隐形PUF墨水。该墨水可通过书写、盖章或喷涂等简便方式在物体表面形成复杂的隐蔽随机图案，在可见光环境下完全不可察觉，而在紫外光照射下，AMC荧光可显现防伪信息并作为D-PUF的定位标记。在532 nm激光激发下，D-PUF同时呈现出四类特征光学响应：拉曼散射信号、锗空位（GeV）零声子线、硅空位（SiV）零声子线及其强度比值。通过同步采集这些信号，研究团队构建了四级独立编码矩阵，并结合多进制编码算法实现了系统的灵活加密。实验结果表明，该多级 PUF体系不仅具有显著的独特性与优异的可重复性，还展现出超大的信息编码容量（>1048164/(100 pixel)2）与超高信息熵（6 bit/pixel）。该成果为新一代具备更强编码灵活性的多级 PUF体系提供了全新设计思路，并在印刷防伪与信息安全等领域展现出广阔的应用前景。

图文导读

TOC图：基于双色中心钻石的PUF墨水用于多级信息加密。

图1：基于双色心金刚石的PUF墨水的应用方案及编码策略。

图2：双色心金刚石基PUF墨水的制备与表征。

图3：双色心金刚石PUF墨水的读出，二进制编码与认证。

图4：双色心金刚石PUF墨水的多进制编码与认证。

图5：多级双色心金刚石PUF系统的实际加密认证流程与应用。

作者简介

林超男，河南省科学院量子材料与物理研究所助理研究员。2021-2024年于郑州大学从事博士后工作。长期致力于金刚石材料制备、电学、光电性能及其相关器件研究。

单崇新，郑州大学副校长、教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者、中国青年科技奖获得者。主要从事宽禁带半导体光电材料与器件研究工作，已发表学术论文300余篇，主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目等，团队入选全国杰出专业技术人才先进集体。

董林，郑州大学物理学院教授，博士生导师。长期致力于压电光电子学效应与微纳米光电器件研究。纵向主持国家自然科学基金6项，产业化方面主持郑州市协同创新重大专项1项，研发产品在国内首家通过工业级认证，两个型号通过车规级认证；以通讯/第一作者发表论文77篇，其中中科院一区58篇。入选中原基础研究领军人才、河南省特聘教授、河南省高层次人才，获河南省自然科学奖一等奖（排名第二）。

文章信息

Jiao F, Sun J, Lin C, et al. Dual-color center diamond for concealable physically unclonable functions. Nano Research, 2025, 18(11): 94907905. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907905.