透射电子显微镜是在纳米乃至原子尺度表征材料微观结构最为有力的工具。随着球差校正技术的发展,透射电镜可以实现亚原子尺度的分辨能力。材料与器件在服役条件下所发生的各类结构变化是理解其工作机制的重要基础,也是指导新材料与器件的开发及改进的重要条件。透射电镜原位技术就是通过在透射电镜中对样品施加各类作用,从而获得样品在外场下动态行为的表征技术,是将样品结构与性能相联系的重要手段。目前光电功能材料与器件的发展备受关注,然而透射电镜原位光电技术仍然不甚成熟,难以满足原子分辨表征的要求。因此我们采用了原位MEMS芯片的技术方案,通过在芯片上设置微型LED与电极,成功开发了原位光电芯片。并通过芯片与原位样品杆、源测量单元以及控制电脑的集成,搭建了完整的原位光电测试平台。在实际样品测试中,该平台具备稳定性高、精度高、响应速度快等优势,很好地满足了亚原子尺度表征及各类谱学分析技术的应用要求。基于这一平台,我们开展了材料与器件工作机制的原位研究。在结构为Graphene/MoS2-xOx/Graphene的纯二维材料忆阻器中,我们不仅发现其具有良好的忆阻性能,更有着高达340℃的耐高温性能。为研究其工作机制,我们在原位光电芯片上集成了忆阻器的截面样品,并在透射电镜中通过外加电压控制忆阻器的开关状态。利用扫描透射成像与X射线能谱分析相结合,我们在器件进入低阻态(开启)之后在MoS2-xOx层中找到了导电沟道的位置,并发现了开/关状态下O与S元素比例的变化。根据这些结果,我们总结了基于空位迁移的载流子浓度变化模型,对器件的工作过程和性能来源进行了解释。由于在工作过程中器件内的二维材料始终保持了完整的层状结构,该忆阻器也具备较高的循环寿命和优异的机械性能。铁电存储也是受到广泛关注的存储机制之一。利用原位光电测试平台,我们对PZT/LSMO氧化物薄膜异质结进行了铁电极化翻转和界面耦合的研究。通过精确控制外加电场强度调控极化翻转过程中的铁电畴壁的移动速率,实现了对动态畴壁的原子分辨直接成像。对运动畴壁的极化分布分析结果表明,畴壁处存在极化梯度,极化翻转需要通过多层单胞逐渐完成。同时在缓慢移动的运动畴壁中存在由沿<-101>、<001>和<100>方向的数个单胞组成的一系列台阶,说明这一区域形核位点的扩展受到了阻碍。结合对畴壁运动过程及形态变化的观察结果,不仅为边界扩散模型的设定提供了实验支持,也发现了在极低移动速率下铁电畴独特的爬行移动机制。同时对界面处Mn价态的电子能量损失谱分析也发现了铁电极化状态对LSMO铁磁状态的调控作用。高质量自支撑钙钛矿氧化物薄膜制备技术的进步为低维强关联系统的研究和钙钛矿氧化物薄膜的应用提供了更多可能。为探索自支撑状态对薄膜结构的影响,我们对自支撑SrTi03、BiFeO3薄膜进行了一系列原子分辨截面表征。在自支撑SrTiO3薄膜中,我们发现即使其厚度减小至2u.c.依然可以保持稳定的晶格结构,低于文献中理论计算得到的5 u.c.二维极限厚度。厚度的降低也会影响自支撑薄膜的物理性质。在具有铁电性的自支撑BiFeO3薄膜中,当厚度降低至5u.c.以下时,出现了显著的晶格拉长和极化状态改变。自支撑钙钛矿氧化物薄膜也表现出了新颖的力学特性。对自支撑BiFeO3薄膜中存在应变的区域进行原子分辨表征的结果显示,在3%的应变程度下,晶格可以承受30%以上的畸变。同时应变导致的挠曲电效应也对BiFeO3薄膜的极化状态产生了显著影响,这也在原子层面直接验证了挠曲电效应的理论模型。通过本文中所完成的一些工作,我们为透射电镜原位技术的发展提供了新的技术思路,也加深了对于阻变存储与铁电存储这两种不同的存储机制的微观认知,为相关电子器件的开发与应用提供了重要参考。对自支撑钙钛矿氧化物薄膜独特性质的研究也为这一全新材料体系今后在诸多领域可能的应用提供了有力支撑。