Om någon säljer dig en lyxig handväska från Paris, Frankrike, men det visar sig vara en förfalskning från Paris, Texas, det förfalskade föremålet kan kosta dig tusen dollar och skurken kan hamna i fängelse. Men om en förfalskad elektronisk enhet installeras i en bil, det kan kosta passagerare eller föraren livet.

Utan nya säkerhetsåtgärder, den sammankopplade trådlösa tekniken, digital elektronik och mikromekaniska elektroniska system som utgör sakernas internet är sårbara för förfalskningar och manipulering som kan få hela telekommunikationsnätverk att misslyckas. Under 2017, Försäljningen av förfalskade produkter av alla slag – från elektronik till läkemedel – uppgick till uppskattningsvis 1,2 biljoner dollar över hela världen.

För att förhindra att förfalskade datorchips och andra elektroniska enheter översvämmer marknaden, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat en metod som elektroniskt kan autentisera produkter innan de lämnar fabriken.

Forskarna använde en välkänd teknik som kallas doping, där små kluster av "främmande" atomer av ett annat grundämne än de i enheten som ska märkas implanteras precis under ytan. De implanterade atomerna ändrar de elektriska egenskaperna hos det översta lagret utan att skada det, skapa en unik etikett som kan läsas av en elektronisk skanner.

Att använda doping för att skapa elektroniska taggar för enheter är ingen ny idé. Dock, NIST-tekniken, som använder den vassa spetsen på en atomkraftmikroskopsond (AFM) för att implantera atomer, är enklare, billigare och kräver mindre utrustning än andra dopningstekniker som använder laser eller en jonstråle, sa NIST-forskaren Yaw Obeng. Det är också mindre skadligt än andra metoder.

"Vi sätter ett klistermärke på varje enhet, förutom att klistermärket är elektroniskt och inte två är identiska eftersom mängden och mönstret för dopningsatomerna i varje fall är olika, " sa Obeng.

För att skapa ett elektroniskt ID, Obeng och hans kollegor deponerade först en 10 nanometer (miljarddels meter) film av dopningsmaterial – i det här fallet aluminiumatomer – cirka 10 centimeter kvadratiska kiselskivor som sedan bröts upp i fragment i frimärksstorlek så att de kunde passa i AFM. Teamet använde sedan den nålliknande spetsen på AFM-sonden för att trycka in aluminiumatomer några nanometer in i kiselfragmenten. Diametern på de implanterade regionerna var liten, inte större än 200 nm.

De implanterade atomerna ändrar arrangemanget av kiselatomer precis under ytan av skivan. Dessa kiselatomer, såväl som de som finns i hela wafern, är arrangerade i ett återkommande geometriskt mönster som kallas ett gitter. Varje kiselgitter fungerar som en elektrisk krets med en viss impedans, AC (växelström) ekvivalenten till resistans i en DC (likström) krets.

När de implanterade aluminiumatomerna snabbt värmdes till cirka 600 grader Celsius, några få av dem fick tillräckligt med energi för att ersätta en del av kiseln i gitter strax under waferns yta. Den slumpmässiga substitutionen förändrade impedansen för dessa gitter.

Varje dopmedelsmodifierat gitter har en unik impedans beroende på mängden och typen av dopningsmedel. Som ett resultat, gittret kan fungera som en distinkt elektronisk etikett - en nanometerskala version av en QR-kod för wafern, sa Obeng. När en skanner riktar en stråle av radiovågor mot enheten, de elektriskt förändrade gittren svarar genom att sända ut en unik radiofrekvens som motsvarar deras impedans. Förfalskade enheter kunde lätt identifieras eftersom de inte skulle svara på skannern på samma sätt.

"Denna forskning är nyckeln eftersom den erbjuder ett sätt att unikt identifiera komponenter genom en säker, oföränderliga och billiga medel, sa Jon Boyens, en forskare vid NIST:s datorsäkerhetsavdelning som inte var medförfattare till studien.

Studien, som Obeng presenterade den 16 september vid den internationella konferensen om IC-design och -teknik i Dresden, Tyskland, bygger på tidigare arbete av samma team. Den nya studien förfinar AFM-metoden för att infoga dopantatomer, så att AFM-sonden mer exakt kan placera atomerna i kiselskivan. Den högre precisionen gör det lättare att testa det elektroniska ID-systemet under verkliga förhållanden.

Obeng och hans medarbetare, som inkluderar Joseph Kopanski från NIST och Jung-Joon Ahn från NIST och George Washington University i Washington, D.C., betrakta deras teknik som en prototyp som kommer att behöva modifieras innan den kan användas i massproduktion.

En möjlighet är att använda de vassa sonderna från flera AFM som arbetar sida vid sida så att dopningsmaterialet kan implanteras i många enheter samtidigt. En annan strategi skulle använda högtrycksrullar för att snabbt trycka in dopningsatomer som täcker ett datorchip eller annan enhet några nanometer in i enheten. Ett mönster stencilerat på rullarna skulle säkerställa att dopningsatomerna implanterades enligt en exakt ritning. Rullar används ofta för att jämna ut papper, textilier och plaster.

Obeng presenterade arbetet den 16 september vid den internationella konferensen om IC-design och -teknik i Dresden, Tyskland.