способ защиты от подделок и контроля подлинности ценных изделий на основе циркулярного фотогальванического эффекта в полупроводниковых наноструктурах

Формула изобретения

1. Способ защиты от подделки ценных изделий и контроля их подлинности, при котором на ценном изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, обеспечивают возможность контроля его наличия и подлинности, отличающийся тем, что в качестве материала пассивного защитного средства используют наноструктуры с квантовыми ямами, при этом возможность контроля наличия и подлинности защитного средства обеспечивают методом анализа циркулярного фотогальванического эффекта в процессе внешнего воздействия на него циркулярно-поляризованного зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона и детектирования информативных признаков в электрическом отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров информационных признаков с информационными признаками, содержащимися в базе данных средства детектирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наноструктур с квантовыми ямами могут быть использованы, например, полупроводниковые гетеростуктуры GaAs/AlGaAs p-типа или InAs/AlGaSb n-типа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве зондирующего электромагнитного излучения используют циркулярно-поляризованное лазерное когерентное излучение в ближнем инфракрасном и видимом оптическом диапазоне длин волн.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что циркулярно-поляризованное зондирующее электромагнитное излучение формируется из линейно-поляризованного с использованием четвертьволновой оптической пластинки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам защиты ценных изделий от подделки и может быть использовано для защиты от подделки музейных ценностей, включая картины, ювелирные изделия, а также дорогостоящих лекарственных препаратов, объектов интеллектуальной собственности, банкнот, кредитных и иных ценных бумаг, а также для обеспечения возможности последующего определения их подлинности с использованием технических средств.

Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.

Так из уровня техники известны индивидуальные средства защиты документов в виде перфорации, рисунок которой имеет узнаваемые нерегулярности. Перфорацию осуществляют с помощью лазерного луча, исходя из обычного рисунка, при этом управление лазером осуществляют посредством ЭВМ таким образом, что каждая перфорация имеет индивидуальную нерегулярность, зависящую от исходной величины, см. например, описание заявки DE № 0368353, B44F 1/12, 1988 (1).

К недостаткам данного способа можно отнести, что они могут быть достаточно легко воспроизведены с высокой степенью соответствия оригиналу с помощью современных средств, широко известных и доступных широкому кругу специалистов.

Так из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании патента РФ № 2074420, G07D 7/00, G01N 24/08, 27.02.1997 (2). Способ заключается во введении в материал защищаемого предмета или нанесении на него метки, в качестве которой используют стабильный изотоп осмия-187 или его соединение, а определение его наличия осуществляется по ядерным магнитным свойствам. Введение в материал защищаемого предмета или нанесение на него стабильного изотопа осмия-187 может осуществляться в химическом соединении, обеспечивающем постоянную ориентацию магнитных моментов электронных оболочек атомов осмия-187. Данный способ позволяет упростить и удешевить защиты от подделки банкнот, ценных бумаг и документов при обеспечении высокой степени защищенности.

Вместе с тем, из уровня техники известен способ защиты от подделки ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ № 2144216, G07D 7/00, G07D 7/06, G06K 19/08, 10.01.2000 (3). Согласно данному способу, в качестве средства защиты используют изотопный индикатор на основе смеси стабильных изотопов. Защитную метку формируют посредством упомянутого изотопного индикатора таким образом, чтобы обеспечивалась возможность контроля ее наличия на защищаемом изделии (при детектировании), по меньшей мере, одним из методов спектрального анализа (например, рентгенофлуоресцентным или люминесцентным методами). Данная защитная метка может быть сформирована непосредственно на защищаемом изделии или независимо от него в любом известном виде и по известным технологиям.

Кроме того, из уровня техники известны технологии аналогичного назначения, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документах, например GB 1193511, JP 9119867, US 4533244.

Также, из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ № 2276409, G07D 7/06, G06K 19/14, 10.05.2006 (4) (ближайший аналог). Согласно данному способу на изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, которая обеспечивает возможность контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты и детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями. В качестве пассивного защитного средства используют металлизированную, по меньшей мере, трехслойную резонансную фильтровую структуру. В качестве зондирующего излучения используют радиочастоту СВЧ-диапазона, в качестве информативных признаков используют характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения.

К недостаткам всех приведенных выше аналогов следует отнести их недостаточную надежность. Это связано, прежде всего, с тем, что современный уровень развития вычислительной, аналитической и множительной техники позволяет воспроизвести с высокой степенью идентичности практически любую ценную бумагу в неограниченном количестве при сравнительно небольших материальных затратах.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение уровня надежности защиты от подделок и копирования ценных изделий.

При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов, один из которых заключается в повышении степени сложности выполнения защитного средства на ценном изделии с одновременным снижением возможности его подделки, копирования, изменения.

Указанная задача решается тем, что в способе защиты от подделок и контроля подлинности ценных изделий на ценном изделии формируют защитное средство заданной структуры, которое обеспечивает возможность контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по опто-электрическим эффектам и детектирование информационных признаков в отклике защитного средства с использованием внешнего зондирующего лазерного излучения. Согласно данному изобретению, в качестве детектируемого информативного признака используют циркулярный фотогальванический эффект в наноструктурах, а в качестве защитного средства используют тонкие (2D) пластины, например, из гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs p-типа и InAs/AlGaSb n-типа.

Понятие «квантовая яма» можно понять рассмотрев контакт двух полупроводников с различными запрещенными зонами (граница таких полупроводников называется гетероструктурой). На фиг.1 показана такая граница узкозонного GaAs и широкозонного AlGaAs полупроводников. Для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике и имеющих энергию менее , граница будет играть роль потенциального барьера. Два гетероперехода ограничивают движение электрона с двух сторон и как бы образуют потенциальную яму. Если ширина потенциальной ямы составляет величину порядка 1-10 нм, то возникают так называемая квантовая яма.

В последние года спиновые эффекты в физике гетероструктур вызывают повышенный интерес. В основе создания приборов спинтроники лежат эффекты инжекции и детектирования спин-поляризованных носителей.

Один из наиболее изученных и распространенных способов спиновой инжекции - использование циркулярно поляризованного света, поглощение которого в полупроводниках приводит к спиновой ориентации носителей заряда. Недавно было обнаружено, что оптическая ориентация в полупроводниковых гетероструктурах сопровождается генерацией электрического сигнала /1/.

Такое возникновение постоянной электродвижущей силы, наведенной светом, зависящей от знака циркулярной поляризации света, получило название циркулярного фотогальванического эффекта (ЦФГЭ). Эффект физически представляет собой преобразование углового момента фотонов в трансляционное движение свободных носителей заряда и феноменологически описывается соотношением:

Здесь J - плотность наведенного фототока, Е - комплексная амплитуда электрического поля световой волны; для поперечной волны выполняется тождество , где Е₀ - амплитуда |Е|, Р_circ - степень циркулярной поляризации и - единичный вектор в направлении распространения света.

Впервые ЦФГЭ был обнаружен в теллуре, однако может возникать и в двумерных (2D) наноструктурах, что и было продемонстрировано экспериментально в полупроводниковых квантовых ямах /1/.

На фиг.2 представлены экспериментальные зависимости фототока в гетероструктурах (J_x), отнесенного к мощности оптической накачки (р), в зависимости от угла , определяющего спиральности фотонов. При этом на фиг.2а представлена зависимость фототока при падении света на структуру с квантовыми ямами p-GaAs/AlGaAs, а на фиг.2б - при падении света на структуру m-InAs/AlGaSb.

В качестве источника света использовался мощный импульсный субмиллиметровый лазер на NN₃ с оптической накачкой.

Для получения эллиптической (циркулярной) поляризации, линейно-поляризованное излучение лазера пропускалось через четвертьволновую пластинку /4. В результате чего на структуру с квантовыми ямами падает эллиптически поляризованный свет со степенью поляризации Р _circ=sin 2 , где - угол между плоскостью поляризации лазерного света и оптической осью пластинки /4.

Плоскостью поляризации лазерного света называют плоскость, проходящую через направление распространения света и направление электрического вектора.

Зависимости изменения фототока от угла (см. графики а и б на фиг.2) получены путем измерений при комнатной температуре и длине волны света =76 мкм. Отметим, что для первой из рассматриваемых гетероструктур, циркулярный фототок наблюдается при нормальном падении возбуждающего луча ( =0°), а для второй из структур - только при отклонении возбуждающего луча от нормали к ее поверхности ( =-30°).

Особенность появления фототока для различных гетеростуктур, отмеченная в предыдущем абзаце, может явиться дополнительным идентификационным признаком при детектировании защитной метки.

Таким образом, сформированная на основе гетероструктур с квантовыми ямами, например, GaAs/AlGaAs p-типа или InAs/AlGaSb n-типа, защитная метка (или ее элементы) при зондировании мощным импульсным лазером, например субмиллиметровым лазером на NH₃ с оптической накачкой, будет демонстрировать ЦФГЭ, являющийся идентификационным признаком защитной метки.

На фиг.3 представлен вариант блок-схемы для детектирования ЦФГЭ защитной метки, никоим образом не ограничивающий возможные схемы ее детектирования. Ниже приводится нумерация основных элементов блок-схемы, их наименование и используемые далее сокращения:

1 - зондирующий лазер (ЗЛ),

2 - лазерное пятно (ЛП),

3 - четвертьволновая оптическая пластинка (ЧОП)

4 - гетероструктуры с квантовыми ямами (ГКЯ),

5 - соединительные проводники (СП),

6 - защищаемое изделие (ЗИ),

7 - защитная метка (ЗМ),

8 - контактные площадки ЗМ (КПЗМ),

9 - электромеханическое устройство углового перемещения ЧВП (ЭМУУ)

10 - устройство детектирования ЗМ (УДЗМ),

11 - электромеханическое устройство линейного перемещения УДЗМ (ЭМУЛ)

12 - электронно-вычислительное устройство (ЭВУ),

13 - монитор ЭВУ (МЭВУ),

14 - усилитель тока (УТ),

15 - поворотное устройство (ПУ) ЧОП,

16 - линейный поляризатор излучения ЗЛ,

OXYZ - система координат,

- угол между оптической осью ЧОП (3) и плоскостью поляризации излучения ЗЛ (1),

₀ - исходное значение угла (начальная выставка),

- вектор электрического поля излучения ЗЛ (1)

При конструировании оптической схемы устройства обеспечивается такое взаиморасположение оптических элементов схемы, при котором достигается максимум ЦФГЭ для ГКЯ (4).

Ниже приводится пример осуществления изобретения, никоим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.

Для реализации рассмотренного способа защиты ценных изделий, в частности, банкнот, кредитных документов и иных ценных бумаг, выбирают структуру защитной метки, наиболее подходящую для защищаемого устройства. Могут быть использованы различные известные из уровня техники варианты и способы формирования и нанесения защитной метки.

Поскольку конкретные методы нанесения изображений, например на банкноты различных достоинств, являются охраняемыми сведениями государства, а их выбор не ограничивает сферу применения предлагаемого способа, предположим, что защитная метка выполняется в виде полосок из материалов гетероструктур, приведенных ранее по тексту.

При этом представляется целесообразным размещение полосок из рассматриваемых веществ в локальных областях ЗМ (7), разнесенных по ее площади в определенном порядке. Например, это может быть выполнено в виде штрихкода.

Упомянутый штрихкод может нести в себе информацию, например, о номинале банкноты, серии и номере с указанием года выпуска и т.п.

Детектирование штрихкода защитной метки происходит следующим образом.

Начальной выставкой обеспечивается совмещение ЛП (2) и первой полоской ГКЯ (4). Именно это взаиморасположение УДЗМ (10) и ЗМ (7) показано на фиг.3.

Утолщения между ГКЯ (4) и СП (5) условно указывают на места их электрического соединения.

В случае поддельной ЗМ (7), например, выполненной на основе одного из фотогальванических материалов, используемых для создания солнечных батарей (кремний, соединения галлия и арсенида (GaAs), кадмия и теллурида (CdTe) или меди, индия, серы и селена (CIS)), на выходе УТ (14), соединенного с ГКЯ (4) через КПЗМ (8) и СП (5), формируется сигнал, величина которого определяется интенсивностью излучения ЗЛ (1). Однако, в этом случае, полярность сформированного таким фотогальваническим материалом электрического сигнала, будет неизменной при изменении угла .

Присутствие защитной метки на основе ГКЯ (4), например р-GaAs/AlGaAs, резко меняет характер выходного сигнала УТ (14). Процесс детектирования происходит следующим образом.

Для рассматриваемого в качестве примера материала, исходное значение угла ₀=45° (см. фиг.2а). По сигналу ЭВУ (12) включается ЭМУУ (9), которое путем вращения ПУ (15), условно показанного на фиг.3 утолщенной кривой, изменяет угол от исходного значения ₀=45° до значения =135°.

В этом случае, величина (полярность) фототока изменяется от максимально положительного значения к максимально отрицательному.

Следующим действием ЭМУУ (9) возвращает ЧОП (3) в исходное положение ( ₀=45°).

Далее включается ЭМУЛ (11), которое обеспечивает линейное сканирование ЛП (2) в направлении оси OY, перпендикулярном штрихам кода ЗМ (7), сформированным на ее поверхности с помощью упомянутых ГКЯ (4).

При появлении надежно детектируемого положительного электрического сигнала на выходе УТ (14), ЭМУЛ (11) останавливается и опять включается ЭМУУ (9), повторяя процесс детектирования, описанный выше.

На основании информации ЭМУЛ (11) о линейном положении УДЗМ (10) в процессе обнаружения пластинок ГКЯ (4), ЭВУ (12) формирует электронную версию штрихкода.

Современный уровень техники позволяет выполнить оборудование для УДЗМ (10) как в стационарном, так и в переносном вариантах.

Последовательность работы УДЗМ (10) и идентификацию подлинности ЗМ (7) обеспечивает программа ЭВУ (12).

Результат дешифрирования электронной версии штрихкода выводится на МЭВУ(13).

Таким образом, применение предлагаемого способа на основе циркулярного фотогальванического эффекта в полупроводниковых наноструктурах, обеспечивает гарантированную защиту ценных изделий от подделки и возможность последующего автоматического определения их подлинности с высокой достоверностью.

Литературные источники

1. Ивченко Е.Л. Циркулярный фотогальванический эффект в наноструктурах. Конференции и симпозиумы, т.172, № 12 (PACS numbers: 68,65. - k, 73.50.Mx, 78.30.Fs.), 2002.