【Sci.Adv.】港中深唐本忠院士、福州大学郑远辉联手|用于四维动态加密的全无机钙钛矿，单层理论编码容量超 $10^{216,742}$ 且单器件可生成高达25亿个不同代码
【Sci.Adv.】港中深唐本忠院士、福州大学郑远辉联手|用于四维动态加密的全无机钙钛矿，单层理论编码容量超 且单器件可生成高达25亿个不同代码
文章标题：All-inorganic perovskites for four-dimensional dynamic encryption
文章作者：YONGFENG LU, LIANLIANG LI, HONGRUI CHENG, HAIXIN CHEN, SHENGMING WU, HAIJIANG QIU, ZIJIE QIU, ZHENG ZHAO, XING HAN, et al., AND BEN ZHONG TANG
第一部分：研究动因
随着社会系统、金融及身份认证对高级防伪措施的需求日益增长，物理不可克隆函数（PUFs）作为利用内在材料随机性生成唯一标识符的加密基元脱颖而出。尽管静态 PUF 能够提供基础安全性，但其无法随时间演变且编码容量有限，因此亟需发展具备时空变异性的动态 PUF（d-PUF）以呈指数级提升安全阈值；然而，现有 d-PUF 均受限于二维时空配置，且面临安全性与稳定性之间的内在冲突，以及光学信号微弱、读取仪器笨重和实时认证效率低下等局限。全无机钙钛矿量子点（如 ）虽具有优异的光电性能，但其小于激子玻尔直径时表现出的光致发光间歇性（闪烁现象）在传统光电器件中一直被视为商业化的主要障碍；但在动态防伪等新兴应用中，这种不规则且频繁的闪烁却可被开发用于高水平信息编码。本文旨在通过控制重结晶工艺将闪烁的全无机钙钛矿量子点随机嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质中，构建超越二维平面的四维（4D）d-PUF 密码基元，从而解决传统动态防伪在编码维度、安全阈值与便携式现场验证之间的矛盾，为下一代超安全密码系统开辟新途径。
Fig.1 Schematic representation of the fabrication procedure for the proposed 4D d-PUF, its optical information readout mechanism, theoretical encoding capacity, and number of codes per device.
第二部分：研究实施方案与关键实验结果
研究团队首先采用经典的抗溶剂沉淀策略，将含有溴化铯和溴化铅的二甲基亚砜前驱体溶液快速加入甲基丙烯酸甲酯（MMA）中，通过超饱和重结晶合成了 量子点，随后借助引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）聚合将其完整嵌入 PMMA 基质中，制备出透明且柔韧的“FZU”图形安全标签。在核心机制上，研究结合第一性原理杂化泛函计算（包含自旋轨道耦合）与单颗粒光致发光光谱，首次揭示了表面铅填隙主要介导非辐射俄歇复合，而铯空位则充当有效的肖克利-雷德-霍尔（SRH）非辐射复合中心，两者协同主导了钙钛矿的闪烁行为。在此基础上，引入碱金属（如铷和钾）掺杂作为精准调控策略，通过填补铯空位并钝化悬空键，实现对发射动态的精确控制。
Fig.2 Surface defect computational studies.
Fig.3 Effect of Rb doping concentration and alkali metal type on the photoluminescence intensity and blinking behavior of CsPbBr3 QDs
在实验验证与性能评估阶段，实验共制备了 70 个包含 5 个可区分 轴层数的动态防伪标签，采集动态闪烁视频并划分为 85% 的训练集与 15% 的测试集。空间身份识别采用卷积神经网络（CNN）分类模型，该模型在第 12 个 epoch 时训练准确率即达到 100%；同时构建基于 Transformer 的时间分支动态模型，用于评估序列层面的动态一致性。通过空间 CNN 匹配与时间分支动态检查的决策融合，独立复测的 70 个已注册物理标签实现了 95% 的模型匹配帧准确率，而 70 个未注册标签则实现了 97.44% 的模型失配拒绝准确率。在编码容量方面，该系统在单 轴层（ 像素图像）下理论编码上限超过 ，每个器件可生成高达 25亿个 不同的代码。针对 14 类对抗性攻击（涵盖重放、冒充、时空篡改、Z轴修改、投影伪造及合成伪造攻击，每类进行 3000 次独立试验），除局部循环重放攻击存在 3.47% 的微弱通过率外，其余 13 类攻击的最终验证通过率均被成功压制在 0%。此外，经空气暴露 12 个月及在去离子水中浸泡 4 周后，标签仍能保持优异的光学一致性、结构完整性以及对铅泄漏的有效抑制。
Fig.4 Deep learning–based authentication system and encryption strategy of the 4D d-PUF security label.
第三部分：创新与提升
本文的核心创新在于将传统光电器件中被视为不利因素的量子点光致发光闪烁现象（Blinking），转化为动态、高容量加密的宝贵核心资产，成功开发出基于全无机 钙钛矿量子点与 PMMA 基质复合的四维（空间维度 及时间维度 ）动态物理不可克隆函数加密系统。基于第一性原理计算与单颗粒光谱，研究明确了表面铅填隙与铯空位协同主导的非辐射复合机制，并通过碱金属精准掺杂实现了对闪烁动态的高效调控。在量化指标上，该系统在单 轴层即可实现超过 的超高理论编码容量，单器件代码数高达 25亿个，在保持极低像素占用的同时，大幅超越了传统二维静态及动态 PUF。同时，通过空间特征匹配与时间动态检查相结合的深度学习双支柱决策融合框架，系统对 14 类复杂对抗攻击展现出了 13 类实现 0% 通过率的超强防御能力，并经受住了空气暴露 12 个月的长效稳定性考验。这些突破有效回应了传统动态防伪中编码容量不足、抗攻击能力弱及难以兼顾高安全与现场快速验证的痛点；此外，系统通过创新的双模认证策略，成功兼顾了用于显微镜的高安全性四维验证以及通过标准智能手机进行的便携式现场快速筛选，展现出极高的应用价值。
文章分享
如果这篇文章对你有帮助，欢迎分享给更多人！