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可調式石墨烯裝置:首個使兆赫(THz)光線變有用的工具

only-perception
・2011/09/07 ・1490字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

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長波長 terahertz(THz,兆赫)光不為人眼所見 — 那在遠紅外線最遙遠的那一端 — 不過,那對於在機場偵測爆裂物、設計藥物到診斷皮膚癌的每一件事都很有用。現在,美國能源部 LBNL(Berkeley Lab)以及加州大學柏克萊分校的科學家證明,一種以石墨烯 — 這種突出的碳形態只有一個原子厚 — 製成的微米級裝置,其對於頻率在 terahertz 之光線的強烈反應,能以精細的精確度調整之。

“我們裝置的核心是一個僅以幾百萬分之一公尺寬的石墨烯帶製成的陣列,” 柏克萊實驗室材料科學部門的王楓(Feng Wang)表示,他也是 UC Berkeley 的物理學助教授,他領導這個研究團隊。”藉由改變石墨烯帶的「寬度」以及其中「電荷載體的濃度」,我們能控制電子在微米帶(microribbons)中的集體振盪(collective oscillations)。”

像這樣的電子集體振盪有個名字,叫做「電漿子(plasmons)」,一個聽起來頗抽象的名詞,不過描述的效應卻如同彩色玻璃窗中發出的明亮色彩般熟悉。

“在高頻可見光中的電漿子發生在三維金屬奈米結構中,” 王楓表示。例如中世紀的彩色玻璃,起因於電子在金、銅以及其他金屬之奈米粒子的表面上集體振動所致,且與它們尺寸及形狀相依。”不過石墨烯只有一個原子厚,而其電子只能以二維方式移動。在 2D 系統中,電漿子發生在非常低的頻率上。”

Terahertz 輻射的波長經測量約幾百微米,然而在實驗裝置中每條石墨烯帶的寬度只有 1 到 4 微米。

“一種由尺寸遠小於相對波長的結構所組成,且其所展現的光線特性迥異於大塊材料的材料,稱為超材料(metamaterial),” 王楓說。”故我們不僅完成了光與電漿子在石墨烯中耦合的第一個研究,在 terahertz 範圍內,我們也創造出未來基於石墨烯之超材料的原型。”

該團隊在 Nature Nanotechnology 中報告他們的研究,那目前可由 AOP 取得。

如何推動電漿子

在二維石墨烯中,電子的靜止質量很小且迅速回應電場。電漿子描述許多電子的集體振盪,而其頻率則依據這個電子海中的波浪在石墨烯微米帶的邊界之間來回晃動(slosh)的速度有多快。當施加頻率相同的光,其結果是「共振激發(resonant excitation)」 — 以及對於該頻率光線的同時強烈吸收(simultaneous strong absorption)。因此,振盪頻率是由微米帶的「寬度」所決定,改變其寬度能調整系統吸收不同頻率的光線。

光–電漿子耦合的強度也會受道電荷載體(電子與電洞)濃度的影響。石墨烯一項突出的特徵是,其電荷載體的濃度只要施加一強電場就能輕易的增加或減少 — 此即所謂的靜電摻雜(electrostatic doping)。

這個柏克萊裝置將這些方法一併納入,用以調整對於 terahertz 光線的回應。微米帶陣列的製作,是將一個原子厚的一層碳沈積在銅薄片上,然後將石墨烯層轉移到氧化矽基質上,然後蝕刻出帶狀圖案。具接點以改變電壓的離子膠則被置於石墨烯之上。

守門的石墨烯微陣列在 beamline 1.4 的 Berkeley Lab 的先進光源(ALS)處以 terahertz 輻射照射,而傳輸測量則使用 beamline 的紅外線光譜儀。在這種方式下,研究團隊證明,光與電漿子之間的耦合比其他 2D 系統強上一個數量級。

控制電漿子強度以及 terahertz 吸收的最終方法依賴偏振(polarization)。根據頻率,當照射的光線與石墨烯帶方向相同時,吸收並無變化。但光線與微米帶成直角時 — 與振盪的電子海同方向 — 則產生陡峭的吸收峰值。此外,在傳統 2D 半導體系統中的光吸收,例如量子井,只能在接近絕對零度的溫度下測量。而柏克萊團隊則在室溫下測得突出的吸收峰值。

“Terahertz 輻射含括一段難以運用的光譜範圍,因為到目前為止這邊沒有工具可用,” 王楓說。”現在我們剛開始有了一組工具箱,可在此範圍內運用,有可能導致各式各樣基於石墨烯的 terahertz 超材料。”

此柏克萊實驗設置只是未來某種裝置的先驅,那將能控制偏振並修改 terahertz 光線的強度,並使其他光學與電子元件能用在醫療成像到天文學的一系列應用中 — 全都在二維內。

資料來源:PHYSORG: Tunable graphene device demonstrated: First tool in kit for putting terahertz light to work [September 4, 2011]

原發表於 only-perception

 

 

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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物聯網世代資安保護的熱門選擇——新型「加密金鑰」PUF 技術
科技大觀園_96
・2022/02/06 ・1831字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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隨著萬物聯網時代到來,越來越多數據以數位化方式儲存共享,架構安全性也越來越受到重視。就在今年 5 月,美國賓州大學研究團隊開發出一種基於石墨烯的 PUF(Physically Unclonable Function),能夠有效防範利用 AI 模型的新型攻擊,使加密金鑰更難以被破解。

石墨烯是一種由碳原子以 sp2 混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。圖/pixabay

什麼是 PUF?

要解釋什麼是 PUF,就得先理解物聯網(Internet of Things , IoT)的概念。簡單來說,物聯網就是讓設備裝上感測器、軟體及技術來相互連接傳輸資料所形成的網路,是很多產業智慧化的基礎,然而很容易就可以想像這種便利性同時也帶來更高的資安風險,由於物聯網設備涵蓋的領域相當廣泛,駭客從許多層面都可以發動攻擊。

物聯網是讓設備相互連接傳輸資料所形成的網路。圖/pixabay

過去談到物聯網的資訊安全,許多人都會先想到軟體及網路加密連線,但其實除了網路層面的安全防護,實體設備同樣存在著威脅。一旦出現仿冒晶片或其他問題,駭客就可能透過網路遠端控制設備獲得金鑰和其他敏感資訊,進而造成企業損失。以軟體為主的資安設計已不再足以提供全面保障,這也是為什麼基於硬體的安全技術開始逐年受到青睞。

全名為「物理不可仿製功能」 的 PUF 就是這樣一種硬體安全技術。透過半導體製程中引入的隨機變數,讓晶片在微觀結構上產生些許差異,在變數無法預測及控制的情況下,複製該晶片成為幾乎不可能的事,減少遭人逆向工程或操作的擔憂。這樣的隨機性、唯一性及不可複製性,讓 PUF 彷彿成為一種「晶片指紋」的存在,因此自然也變成新世代資安「零信任」(Zero Trust)架構下的熱門選擇。

不同於傳統資訊加密技術將密鑰儲存在設備的方式,PUF 技術主要使用一個客製應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit , ASIC)或現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array , FPGA)就可以完成,透過製造時挑戰/反應數據庫(Challenge/Response)的建立,便能在無須加密認證演算法的情況下對設備進行驗證,防止身分被竊取、竄改的同時,也免除了將私鑰儲存在設備的額外成本以及金鑰遺失的風險。

自 2013 年開始,PUF 已經開始逐漸受到重視,只是就像所有的密碼學應用一樣,儘管 PUF 技術存在著這些驚人特性,駭客攻擊手法也仍在持續演化中。國外一些研究已經證明,透過機器學習,AI 技術還是可能預測出密鑰並獲取數據,因此針對 PUF 技術的改良研發也仍在持續進步中。

以賓州大學團隊 5 月公布在《 Nature Electronics 》的最新研究為例,工程科學與力學助理教授 Saptarshi Das 就進一步結合了石墨烯(Graphene)的諸多特性,開發出一種新型低功耗、可擴展及可重構的 PUF,在面對 AI 攻擊時也能保持顯著彈性不易被入侵。

據研究人員表示,透過石墨烯獨特的物理和電學性質,新型 PUF 更加節能、可延展,即使受到 AI 攻擊試圖預測金鑰,受損的系統也可以在不需要額外硬體或更換元件的情況下重新配置過程並生成新密鑰,藉此有效抵抗對傳統矽製 PUF 構成威脅的 AI 攻擊。

隨著物聯網走入各大產業、設備數量大規模增長,可想見更嚴峻的資安挑戰也即將到來。目前國內廠商及研究團隊許多針對 PUF 的努力正在進行,除了矽智財知名大廠力旺開發的 NeoPUF 技術,成功大學電機系張順志教授進行的研究也是其中之一。

在「具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作」整合型計劃中,張教授希望透過超低功耗之類比數位轉換器設計技術及內建物理密鑰技術、 AI 輔助訊號轉換電路設計技術的研發,來提升物聯網晶片的安全性與穩定性。據了解,該項目已經進入後期階段,將基於先前的經驗嘗試完成整個物聯網系統的實體整合與量測驗證。

資料來源

  1. 初探物聯網安全趨勢下PUF晶片安全發展機會|跨域資安強化產業推動計畫網站 ACW
  2. 具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作-子計畫三:應用於高安全性且低耗能物聯網系統的類比至數位轉換器之研製( I )
  3. Stabilization in Physically Unclonable Constants
  4. Graphene key for novel hardware security | Penn State University

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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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跳脫百年框架引領量子黑科技──台灣研究團隊雕塑石墨烯嶄新電子結構
活躍星系核_96
・2021/03/31 ・1511字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 623 ・十年級

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人類能否藉由人造方式調整物質材料的原子間距離與排列,並進而賦予它全新的物理特性呢?在科技部計畫的長期支持下,成功大學物理系暨前沿量子科技研究中心張景皓助理教授及陳則銘教授組成的研究團隊,成功開發出利用半導體產業常用的蝕刻技術來調控原子排列,將原本單純的石墨烯轉變為擁有奇異量子特性的嶄新電子元件,不僅有助於探索量子傳輸的基礎物理科學問題,未來將有機會應用在量子科技之中。卓越的研究成果於今 (2021) 年 2 月刊登於國際頂尖學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)。

原子級莫爾紋:魔角石墨烯

近年來科學家透過類似積木的概念,將石墨烯以錯位扭角方式堆疊起來,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。這方法看似簡單,但因需將薄到僅有單原子層厚度的二維材料在特定精確角度扭角堆疊,其實際操作及未來產業應用都有著不小的難度與挑戰。

將石墨烯以錯位扭角方式堆疊起來,藉此將石墨烯從零能隙半導體轉變成超導體、絕緣體,或將其變成像磁鐵般具有鐵磁性。

研究團隊何昇晉博士(論文第一作者)與陳則銘教授試著另闢蹊徑,構想出利用半導體蝕刻技術來雕塑氮化硼基板表面,進行具有三維結構變化的堆疊,並與謝予強等團隊成員開發出能進行原子級尺度雕刻的新穎技術。有別於以往只是單純將二維材料一層一層疊上去。這個新技術能將二維材料的晶格結構(原子排列)依照被雕刻氮化硼人造超晶格基板的結構進行拉伸或扭曲變形,以此操控其對稱性破壞及電子運動等基本物理機制,進而改變物質材料之物理特性。

霍爾效應的新發現

研究團隊另一項重要發現,在於確立了兩種新型態霍爾效應的發現。過去一百多年來,科學界普遍認為磁場是霍爾效應生成的必要條件,研究團隊在具有人造晶格結構的石墨烯量子元件上,跳脫原有框架、推翻了此一論點,結合實驗及理論證實新的霍爾效應其存在完全不需任何磁場。其中帶領團隊進行理論模型建構及數值模擬的,是另一名論文第一作者同時亦是玉山青年學者的張景皓助理教授。此突破除了理解量子傳輸的基礎科學問題外,對日後應用於量子電子元件及晶片也有著莫大的幫助。

霍爾效應在 1879 年由霍爾博士發現:磁場會改變電場內的電荷運動及分布造成電位差,好比電子均勻在電路上往前移動,但路邊有人叫賣(磁場),電子會被吸引到靠邊,電子不均勻分布就產生電壓差。此效應已應用於許多 IC 及感應電路上。

科技部持續積極耕耘基礎科學研究,以作為台灣科技創新與發展的強力後盾。未來在量子科學技術研發上也投入資源規劃整合,秉持著世界頂尖的科技研發能力與人才培養,對於台灣量子科技發展建立良好的競爭力,並與全球科技研發完美接軌。

合影左起為國立成功大學物理學系謝予強同學、國立陽明交通大學電子物理系羅舜聰助理教授、國立成功大學物理學系陳則銘教授、科技部自然司羅夢凡司長、國立成功大學物理學系張景皓助理教授、國立成功大學物理學系黃柏慈博士
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia