基于包含易挥发性和非易挥发性相变材料的复合超表面的热信息加密技术

《Optics & Laser Technology》：Thermal information encryption based on composite metasurfaces comprising volatile and nonvolatile phase-change materials

热发射加密系统研究：基于VO?和GST复合超表面的高密度信息编码与热刺激动态显示

　　

Jungwoo Pyo|Dongkyun Kang|Jaehyeong Kim|Myeongkyu Lee

韩国首尔延世大学材料科学与工程系，邮编03722

摘要

随着数据量的激增，信息加密受到了广泛关注。基于热辐射控制的加密技术成为光学加密系统的一种有前景的替代方案，因为它允许在红外相机下直接解码加密信息，同时具有很高的抗复制能力。本研究提出了一种基于复合超表面的热加密系统，该系统使用了VO₂和Ge₂Sb₂Te₅(GST)作为材料。VO₂是易失性相变材料，而GST是非易失性相变材料。尽管这两种相变材料在作为热加密材料平台时各有优缺点，但这种复合超表面将它们整合到了一个功能平台上，从而结合了两种材料的优点。GST的多重结晶状态使得高密度信息能够被编码到超表面中，而VO₂的温度驱动动态相变则可以根据热刺激来显示或隐藏加密的图像或数字信息。此外，VO₂-GST复合超表面不需要光刻和电子束光刻等复杂的制造工艺。这项研究为高密度和稳健的热信息加密提供了一种新的架构，并且也可以用于未来可重构和智能热超表面的设计。

引言

在数据量爆炸性增长的时代，安全性变得比以往任何时候都更加重要，因为存储和传输的数据通常包含敏感信息。未经授权的访问这些敏感信息可能会引发严重的安全问题。因此，信息加密受到了极大的关注。传统的加密技术主要依赖于数字算法和电子架构，但存在处理速度慢、计算复杂和效率低等问题[1]。光学加密技术可以克服这些限制，并提供诸如多维度、大容量和高设计自由度等优势[2],[3],[4]。光学加密系统可以分为两种类型：一种利用材料在电、光或热刺激下的发光变化[5],[6]；另一种基于超表面，这些超表面通常由精心设计的“超原子”组成。超表面能够实现光相位、振幅和偏振的空间控制，使其成为高安全性平台[7],[8],[9],[10],[11]。与光学超表面相关的一个主要挑战是，随着安全级别的提高，解码加密信息变得更加复杂，需要特定的光学设备。此外，可见光范围内的超表面制造成本较高，因为需要使用电子束光刻技术，这限制了其可扩展性和大规模生产。为了使超表面成为可行的加密平台，解码加密信息应该简单易行，同时其复制必须极其困难。低成本和可扩展的制造工艺也非常关键。

基于热辐射的信息加密是光学加密系统的一种有前景的替代方案。任何绝对温度高于零度的物体都会发出红外（IR）波，其发射的能量与其表面发射率（ε）成正比。热辐射控制具有广泛的应用，包括红外自适应伪装、个人热管理、辐射冷却、节能窗户和隐身技术[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23]。发射率工程也可以有效地用于热加密系统，其中图像或数字信息通过发射率图案化编码，并使用红外相机进行可视化。如果编码信息的材料平台具有抗复制能力，这样的系统可以为认证、识别和防伪提供有前景的安全解决方案。广义上讲，超表面指的是任何人工设计的功能性表面。基于VO₂和Ge₂Sb₂Te₅(GST)等相变材料的超表面已被研究用于热加密[24],[25],[26],[27],[28],[29],[30]。相变超表面还可用作多级信息存储、动态全息术和物理层安全的紧凑型光学平台[31],[32],[33],[34]。在光学安全领域，加密方案可以被视为密码系统。光学安全的发展路线图[31],[33]指出，许多光学加密方法是对称的，这在密钥分发和管理方面可能会带来实际问题。路线图还强调了密码分析研究的重要性，因为广泛使用的光学加密方案（如双随机相位编码）容易受到已知明文和选择密文攻击[31]。与由静态电介质和/或金属组成的传统光学超表面不同，这些相变超表面可以动态响应热、电或光刺激，从而提高安全性能[25],[26],[35],[36],[37]。相变超表面还被用于实现先进的光学功能，如光子角动量的多态控制和具有激光保护功能的非互易传输[38],[39],[40]。VO₂在大约68°C时会发生从绝缘态到金属态的相变，这两种状态具有不同的发射率值。因此，基于VO₂的超表面能够在热激发下实现可逆的红外调制。然而，信息的存储容量有限，因为热加密仅利用了两种状态（绝缘态和金属态）。相比之下，GST在非晶态（a-GST）和晶态（c-GST）之间发生非易失性相变。a-GST是沉积后的GST薄膜的典型相态，可以通过退火转化为c-GST。a-GST的结晶程度可以通过退火温度和时间来调节。这使得高密度和可编程的信息存储成为可能，因为单层薄膜中可以存在不同体积分数的c-GST状态。然而，GST超表面不支持温度驱动的动态调节。

作为热加密的材料平台，易失性的VO₂和非易失性的GST各有优缺点。虽然具有堆叠VO₂和GST层的平面腔体可以展示可调的多重热状态[14],[15]，但这些多层结构无法实现热信息的空间编码，因为发射率无法局部控制。在本研究中，我们提出了一种将VO₂和GST整合到一个功能平台上的复合超表面。该超表面结合了两种材料的优点（VO₂的动态切换和GST的多级发射状态），如图1所示。在复合超表面中，VO₂和GST在空间上是分开的。VO₂区域的发射率随温度动态调节，而GST区域则具有可控的静态发射率。这种混合特性为记录发射率调制的热图像提供了极大的灵活性，使得所提出的超表面成为热信息加密的有效平台。我们使用复合超表面验证了几种加密方案，其中利用了VO₂和GST的温度依赖性光学响应来编码和解码信息。通过克服单一组件的局限性并桥接瞬态和持久切换行为，本研究为高密度和稳健的热信息加密提供了一种新的架构。

材料与方法

复合超表面是在玻璃基板上制备的。使用的是双面抛光的硼硅酸盐玻璃片（50毫米×50毫米×1毫米）。沉积前，基板依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗5分钟。铝膜是在2毫托的工作压力和30秒立方厘米的氩气流量下通过直流磁控溅射沉积的。a-GST膜是通过射频（RF）磁控溅射在氩气环境中沉积的

结果与讨论

基尔霍夫热辐射定律指出，处于热平衡状态下的物体的发射率等于其吸收率。图2(a)显示了沉积在硼硅酸盐玻璃基板上的150纳米厚VO₂膜的温度依赖性发射率，其发射率ε > 0.9。在7.5至13微米的大气窗口范围内，绝缘态的VO₂对红外辐射是透明的。因此，在VO₂的转变温度（T_c）以下，样品的发射率与玻璃基板的发射率相似

结论

我们通过一种前所未有的方法制备了VO₂-GST复合超表面，并验证了它们作为稳健热信息加密平台的潜力。复合超表面结合了易失性和非易失性相变材料的优点。GST的多级发射状态使得高密度信息能够被编码到超表面上，而由于VO₂的温度驱动可逆相变，加密信息可以通过热控制进行读取。

CRediT作者贡献声明

Jungwoo Pyo：方法论、研究。Dongkyun Kang：形式分析、数据管理。Jaehyeong Kim：形式分析、数据管理。Myeongkyu Lee：撰写——审稿与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国政府（MSIT）资助的国家研究基金会（NRF）（NRF-2022M3H4A1A02046445）的支持。