发展国产高端原位电镜技术：从“广受关注”到“好用”——“创新100”走进厦门超新芯科技有限公司

科学仪器行业活跃着一批拥有核心技术、产品具有良好市场潜力的中小仪器厂商，为更好地助力企业发展，仪器信息网在2021年继续推进国产科学仪器腾飞行动之“创新100”项目，以公益性的宣传报道和资源对接，助力行业筛选扶持真正具备自主创新能力的“种子选手”。2021年“创新100”第四站，仪器信息网带你走进原位电镜技术研发制造商——厦门超新芯科技有限公司CHIP-NOVA (以下简称：CHIP-NOVA)，公司创始人廖洪钢教授分享了CHIP-NOVA的技术起源与创业历程。

“CHIP”释义为芯片（公司掌握世界领先的原位芯片技术）；“NOVA”释义为新星，原义为天文学现象，短期内突然变得很亮（由于其突然增量被认为是刚刚诞生的恒星，并被命名为“新星”）。Nova在拉丁语中是“新”的意思，公司取名“CHIP-NOVA”，廖洪钢表示，寓意希望能在原位电镜领域为中国科技的进步和创新发光发热。

CHIP-NOVA：原位电镜技术快速发展中创立

原位电镜技术发展史：纳米微加工技术赋能近十年快速发展

原位电镜技术，即通过在电镜中搭建可视化的NANO-LAB，原位观察纳米样品材料的结构或形貌在电、热、冷、光、力、磁等外场作用下的变化，同时研究样品变化的机制，使得电镜对物质的研究由静态发展到了动态变化的实时观察。

上世纪三十年代，在透射电镜问世之初，人们就尝试进行液体样品的分析，最初使用金属薄膜对液体进行包夹，但是分辨率极低，没有应用价值。因而发展受到搁浅，直到二十一世纪初，纳米微加工技术的发展打破了原位透射电镜技术发展僵局。

2003年，IBM的Frances M. Ross教授利用微纳米加工技术，采用MEMS加工工艺制作原位芯片，并在其中封装液体，首先使用氮化硅作为窗体材料，将原位TEM液体池分辨率推进到5nm。2009年，劳伦斯伯克利国家实验室郑海梅教授通过改进液体池设计实现了原位TEM观测液体中纳米粒子生长，分辨率达到1nm。与此同时，太平洋西北国家实验室王崇民教授等采用离子液体实现了电池材料充放电过程原位TEM观察。

2009年以来， 郑海梅教授与Paul Alivisatos教授开发了系列液体池原位芯片，应用于材料合成方面，观察纳米材料生长，并发表了诸多早期原创性论文。

至此，原位电镜技术的应用价值在整个学术界得到广泛认可。

但实际应用方面，全球仅少数几个研究组可以应用，且以自己设计制造为主。直到约2011年前后，商业化产品开始出现，而这些商业化产品大多未能从科学研究的角度开展设计，产品与科研者的实际需求尚有一定差距。

在一次报告中，廖洪钢介绍原位电镜的发展历程

CHIP-NOVA创立

与此同时，廖洪钢正在美国劳伦兹·伯克利国家实验室担任助理研究员，导师正是郑海梅教授。此期间，廖洪钢开始接触到原位电镜技术领域，并完成了系列原位液体透射电镜的开创性研究，设计了一些原位样品杆和原位芯片，相关研究成果多次在美国《科学》等顶刊上发表。

在原位电镜领域产业化还没有成熟的契机下，2015年，廖洪钢在美国创办BIPOLAR TECH公司，将原位芯片技术进行商业化。同年，廖洪钢回到中国，推动原位电镜的研究与应用。2016年，他与几位厦门大学校友创办厦门芯极科技有限公司，在中国开始推广原位电镜技术。企业发展得到很多人的支持，他的导师孙世刚院士为战略顾问，福建省嘉庚创新实验室田中群院士和周涵涛院长等也在产业化中给予了大力帮助，厦门大学青创会也多方引入了对接资源。

公司定位为一家一流的科研服务供应商，在电镜原位测试系统领域为科研、产业界提供更好的产品和解决方案，助力科研、产业界用户的发展。成立初期，企业的技术积累主要依靠自筹经费，随着产品技术升级、市场化推广，资金远不能满足需求。于是，先后引入政府创业基金、双百计划支持等，在2019年完成天使轮融资建立厦门超新芯科技有限公司。至此，从产品研发到市场推广，公司全面进入快车道。

创立初心：从应用角度开发设计产品，让原位电镜技术更“好用”

2015年，廖洪钢回国初，主要立足于做科研，此期间发现，原位电镜技术的应用存在许多弊端。一是进口仪器相对昂贵，常见原位TEM系统都在百万元级别，复杂一些的达数百万元，尤其做原位研究往往需要引入电、热、力等外场，而每种外场的引入都是数十万到百万元成本的增加，这对于科研工作者而言是很昂贵的。另外，这些设备的功能也并不能满足许多科研工作者的需求，当时国内外虽然有许多课题组购买了商业化原位TEM产品，但实际科研中的应用效果并不理想。

此背景下，CHIP-NOVA开展了系列原位TEM从技术到应用的开发，利用技术开发落地在科研实验室的先天优势，集合多种科研体系，开发的原位TEM系统不断得到优化改进，其性能和应用场景也更加贴近科研人员，使得产品更加“好用”、科研工作更高效。把这些“好用”的原位TEM系统更多的产业化推广出去，便成为CHIP-NOVA的创立初衷。

原位电镜技术应用之痛：关注度高，但“用好”的少

帮助电镜对物质的动态变化进行实时观察，加之在一系列顶刊成果的背书，原位电镜技术迅速得到广泛关注。但同时，该热点技术的实际应用情况并不理想，已有原位电镜技术规范性不完善、操作繁琐、安全性等问题，致使这项技术还未能被广泛应用，真正能“用好”的研究组并不多。

尚处发展早期阶段

廖洪钢认为，近年来，原位电镜技术已经受到越来越广泛的关注，但某种程度上，这还是一个全新的技术，技术真正发展不足十年，很多应用领域处于早期阶段，许多应用范围和应用条件尚且未知。这种情况下，许多初入领域科研工作者，较容易以宏观实验思维开展研究，很多时候很难得到很好的成果。

这种强烈依赖仪器技术牵引的新领域的发展，是一个全新研究方法体系不断开发完善的过程，需要不断尝试一些使用方法、技巧，逐渐形成一定的操作流程与规范。可以看到，许多已经配置原位电镜系统的团队，其真正的应用还有待于这项技术的不断发展完善。

安全性的制约

原位电镜实验过程中，安全性至关重要。电镜样品仓处于高真空环境，如果原位窗口破裂，内部的液/气分子很容易进入电镜内部体系，对电镜内部电子枪等硬件造成直接污染破坏。尤其在加热高温、电化学等原位实验以及在原位窗口相对比较大的情况下，安全风险都会增加。

一般而言，泄露事故对电镜造成的损害是不可逆的。电镜发生了泄露事故，一般需要联系电镜工程师进行维护或维修。而原位电镜反应往往需要较长的时间，尤其当遇到比较好的实验现象时，可能需要达连续数天的反应时间，这无疑又为安全性增加了风险。

一些国外实验室，为了减小原位电镜泄露事故风险，一般把有风险的原位实验，安排在那些比较老旧的电镜上进行，他们不得不小心翼翼的利用这项技术，以避免每年对电镜的若干次维修，成为科研工作者的无奈之举。

从应用痛点出发，十余年积累业界领衔技术优势

廖洪钢表示，原位电镜技术实际应用的不完善为CHIP-NOVA的发展提供了机遇，十余年的努力，CHIP-NOVA已积累了诸多业界领先技术优势。

原位液体电镜技术

CHIP-NOVA的优势主要集中体现在其产品技术上。比较突出的就是在液体原位电镜系统技术。

液体中金纳米粒子STEM高分辨

相比其他原位技术，液体原位电镜技术难度更大，技术门槛更高。液体本身对电子束散射较大，会有衬度，再加之原位氮化硅窗口的衬度，两衬度叠加对分辨率影响非常大，往往只能看到形状，很难高分辨。在液体中实现原子分辨率本身便是一个较难的课题。

液体中金纳米粒子原位结构转化

CHIP-NOVA基于十多年的技术传承与积累，在液体原位系统方面有很多经验与成熟方案。目前，已经实现10纳米氮化硅原位芯片的产业化生产，且可以液相环境下球差校正电镜中使用，并实现原子级分辨率，甚至可以看到表面原子和内部原子的一些位错及吸附的影响。

关于安全性的两种技术方案

电镜原位实验过程中，电子束需要透过原位芯片窗口，窗口外界是真空，内部是大气压，而窗口本身是一个超薄的薄膜，这种情况下，这层薄膜就很容易破裂，并导致其中的液体/气体溢出损坏电镜。因此，做好安全性，对窗口本身的材质和工艺要求都很高。CHIP-NOVA在窗口工艺精度方面的优势，帮助其在安全性方面表现优异，可以在保证超薄氮化硅窗口（10nm）的同时，在电镜中实现安全的使用和操作。其他设计方面，将原位芯片传统人为三层密封环节改进为两步实现，第一步通过芯片组装仪在洁净间出厂前封装，第二步在实验时只需实验人员密封一次，不仅大大提高了效率，也降低了人为出错率导致泄露隐患。

无尘间芯片组装

除了原位芯片观察窗和芯片密封的特殊工艺，CHIP-NOVA在保障安全性的另一个技术便是纳流控系统。液体池样品泄露对电镜的污染风险，还有一个关键的影响因素，那就是样品量体积的问题。一般商业化原位芯片设计中的液体流通孔道较大，液体以较大流速穿过芯片并扩散到芯片中心的观察窗口，或以较厚的液体层从芯片中间穿过，这种情况下，一旦出现渗透就会有“巨量”液体泄露至电镜中。

而我们平时使用电镜时也会有一定空气或附带水气进入电镜，但这并不会损坏电镜，是因为其量很微小，很容易被电镜中的分子泵和离子泵抽走。基于此原理，CHIP-NOVA认为，如果原位芯片样品量非常微小，就可以保证整体系统处于一个相对安全的范围，并设计了纳流控系统。CHIP-NOVA纳流控系统，采用压电微控系统进行流体微分控制，可进行纳米级流体的输送控制，其微量的纳米级流体流速控制过程，可避免原位池泄漏过量流体对电镜内部的损坏，也更适合对芯片内的微流体进行控制。CHIP-NOVA的方案将液体的量控制在很小，因为原位透射电镜的观察本身是一个纳米尺度、原子分子级的反应，微量液体已可满足需求。CHIP-NOVA芯片通过MEMS技术实现微型化，目前液层可以实现厚度仅约100纳米。这样的芯片中输送液体的是纳米级孔道，万一出现窗口破裂渗漏，就可以将事故风险大大减小。

无尘间芯片制造设备

原位液体电化学和加热技术

除了液体原位技术和安全性，CHIP-NOVA积累的其他优势产品技术还包括电化学和加热等方面。

据悉，液相电化学是廖洪钢课题组正在开展的研究应用方向之一，包括其中电极的设计、原位芯片设计、如何在液体和电化学反应中更高效的实现在观测区域观测到样品等，这些都涉及到很多细节科学问题。目前，CHIP-NOVA在液相电化学方面的产品已经很成熟，且最近也会有一些较好的科研成果，不久将发表见刊。

加热系列产品方面，CHIP-NOVA的一个博士带领的团队已经进行了多年研究开发，包括开发芯片、搭建软硬件等。目前已实现室温至1300度的快速升降温条件下，原子级分辨率的追踪，且可保证整个过程热漂移在纳米级别范围内。

TEM观测高温加热过程

加热芯片检测

原位电镜技术之发展：未来可期

目前，原位电镜技术方面，国内部分团队逐渐实现产业化，尤其力学等相关产品。但在气体、液体产业化方面，国内主要是CHIP-NOVA等在开展。国内产业化品牌多以定制化产品为主，并未形成一个完整的产业链，难以形成竞争优势。基于此，CHIP-NOVA从创业以来，坚持从芯片开发到原位杆硬件和软件，全部实现自给自足，经过多年的积累，开始逐渐打通整个产业链，形成一定的技术和市场优势。

国产品牌发展任重道远

关于国产品牌的发展，CHIP-NOVA发展过程中也遇到了许多阻力。廖洪钢表示，这种阻力主要体现在国内用户对品牌认知度和技术认知度两方面。品牌认知度方面，主要在品牌宣传过程中，用户对国产仪器的惯性成见，认为比进口便宜质量就差等。比如CHIP-NOVA原位芯片在精度和性能以及价格方面都有优势，但却很难得到一些用户的认可。

技术认知度方面，虽然超新芯科技在液相原位等技术方面经过10余年积累了许多优势，但对于刚接触这个领域的用户，会更加在意品牌、市场占有等因素，此时CHIP-NOVA也会处于劣势。作为市场后入者，CHIP-NOVA开发的纳流控系统等全新技术的引入，广大用户接受过程会有一定阻力。

CHIP-NOVA未来发展：创新引领，迎合市场

在2019年公司重组后，CHIP-NOVA实现快速发展，市场份额逐步提升。重组后，CHIP-NOVA不仅人员规模不断扩大，也在去年建成了自己的洁净实验室，业务和产线实现逐步扩张。虽然2020年受疫情影响业绩出现下跌，但2021年上半年已经迅速实现了快速增长，预计全年将有不俗表现。据悉，随着公司的快速发展，超新芯科技或将接触下一轮融资。

产品技术方面，目前，超新芯科技产品包括五大系列，包括TEM液体电-热样品台、TEM液体光-电样品台、TEM气体光-电-热样品台、TEM力-热样品台、SEM气液体多功能样品台、SEM冷冻样品台等。这些产品技术已经步入成熟阶段，接下来，超新芯科技将会重点突破冷冻电镜相关原位系统的开发，相关预研工作已经开展了两年多。

时下，冷冻电镜市场需求旺盛，但在原位需求方面还有许多痛点。目前冷冻原位实验主要有两种方法，一是使用市场已有的冷冻杆进行，但主要问题是漂移较大，较难稳定，实现高分辨需要较长时间。另一种方法就是冷冻电镜，但冷冻电镜价格昂贵，许多普通实验室无法承担。CHIP-NOVA的开发思路便是做出一系列介于以上两种方法之间的优化仪器方案，在高性价比基础上实现冷冻电镜的高稳定性。

据介绍，超新芯科技近来已经开展了系列冷冻相关产品开发，包括快速制冷的实现、10小时级长时间液氮循环制冷系统等。同时，在两代原型产品基础上，第三代产品即将完成，或不久即将推向市场。此类产品或将为冷冻电镜市场带来更多发展空间，或许不久，在球差校正电镜中配置这种设备后，实现球差电镜级别的冷冻观测即将实现。

原位电镜技术发展：未来可期

关于应用领域，原位TEM系统主要依托比较昂贵的透射电镜，技术门槛相对高，所以这项技术前期主要集中于科研市场。廖洪钢表示，随着工业领域对企业研发的逐渐重视，一些大型企业比如宁德时代、比亚迪等已经开始积极关注这项技术。随着原位技术逐渐成熟、应用案例逐渐增多，相信未来，这项技术将会在工业领域也会被逐渐推广开来。

关于市场增长，原位电镜技术是一个非常年轻的技术，其整个发展过程不到十年，但在这十年内，这项技术从实验室走向商业化市场，已经开始成为电镜领域一个非常主流、成熟的技术方向，发展非常快速。廖洪钢表示，尤其在中国市场，许多领域的老师开始向CHIP-NOVA咨询原位电镜技术，包括材料、化学、生物、环境、生命科学等，许多科研工作者都希望把这些更前沿的技术应用到自己的研究中，这项技术的应用已不再局限于电镜研究学者，其未来市场容量也必将进一步放大。

后记

原位电镜系统是依托电镜的一个附属设备，两者在采购配置过程中经常密不可分。另外，电镜一般作为平台来采购，而原位电镜系统则更多是课题组作为私有设备配置，因为每个实验体系之间都可能会有交叉污染。同时，原位设备本身也是一套非常复杂的精密仪器，操作复杂度相对也比电镜要高一些。这些特异性或许是几家主流电镜厂商逐渐放弃了对原位电镜技术领域直接投入的原因。原位电镜赛道上国产品牌技术的未来发展被赋予了更多想象空间！

　　附：“创新100”介绍

　　秉承“国产科学仪器腾飞行动”宗旨，仪器信息网于2018年启动“国产科学仪器腾飞行动”之“创新100”项目，通过筛选一批具备自主创新能力的中小仪器厂商，借助报道、走访、调研等方式，在企业发展的关键时期“帮一把”。

　　项目自启动以来，已收到超过150家企业的踊跃申请，通过输出公益性的宣传报道，组织企业研学、参观交流、主题讨论等各类资源对接活动，得到广大科学仪器企业与用户单位的高度关注与一致好评，现已成为中国科学仪器市场颇具影响力的特色活动，对于提升国产仪器品牌影响力，为行业筛选优质仪器企业贡献重要力量。为延续“国产科学仪器腾飞行动”精神，筛选和服务更多国产科学仪器潜力企业，“创新100”将于2021年继续进行，为国产仪器企业输送更多公益资源。

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