离子是指原子或原子基团失去或得到一个或几个电子而形成的带电荷的粒子。它在自然界有的广泛存在,如:海水、生物体内等。同时许多功能材料也是由不同类型的阴阳离子构成的。早在1833年,法拉第就提出了电解第一定律:当电流通过电解质溶液时,在电极（即相界面）上发生化学变化物质的量与通入的电量成正比,明确指出了电解质溶液中的离子输运概念和化学反应的本质与电荷的得失相关。1903年诺贝尔化学奖获得者,阿伦尼乌斯创建了溶液的电离学说,为人们开启了认识、了解和应用离子输运材料之路。基于材料的离子输运功能发展了化学原电池、二次电池、燃料电池、忆阻器件等器件。另外,人们发现生物神经活动和肌肉收缩等也与体内的离子输运性质相关。随着社会的进步,人们对离子输运材料的功能要求也越来越高,开发新的离子输运材料,改进和拓展现有离子输运材料的功能成为材料领域的重要研究方向。我们都知道,任何材料都是由原子组成的。原子的种类,原子在材料的内部空间分布（材料结构）以及原子的价态等共同决定了材料的性质和功能。如何设计开发新功能材料?如何拓展已知材料的新功能?如何评价材料服役状态下的功能变化?这是材料研究领域的终极追求目标。这就要求人们建立材料的微观结构与物性的内在关联。需要对离子材料的微观结构、离子输运性质进行深入研究。本博士论文围绕着固态离子输运材料开展了原位电场调控下的离子输运的电子显微学研究。取得了如下研究成果:（1）电化学过程中的离子迁移对于相变行为是一个基本的科学问题,对于各种功能性器件,尤其是锂离子电池具有重要的技研究意义。在锂离子输运材料中,通常仅有一种功能性离子,如Li+离子在外电场作用下嵌入脱出电极材料,为保持电中性电极材料晶格中其他固定离子的价态随着变化,如Li Co O2与Li Mn2O4中发生Co3+/Co4+或Mn3+/Mn4+的还原和氧化。我们构造一个Li4Ti5O12为阳极的全固态电池,在进一步脱锂时,Ti4+价态维持稳定条件下,在原子尺度原位观察O2-与Li+在电场作用下的迁移变化。由于生成能最低,2.2 V下,氧离子首先被少量抽出生成氧空位,并在竖直方向发生位移。偏压升高至2.7 V,Li+与O2-从[Li O4]四面体中同时抽出,并形成缺Li缺O的有序相。我们提出并通过第一性原理计算验证了O和Li的迁移路径。这些结果揭示了一种新的双离子协同迁移方式。这一发现对理解离子材料新的离子迁移机制和开发其新的功能具有重要的参考价值。（2）BiFeO3（BFO）是一种复杂的多铁材料,具有良好的铁电、反铁磁和压电效应。我们通过AFM施加大电场,首次实现了BFO薄膜大的可逆形变（约5%）,是压电效应产生应变的10倍。并利用原位电镜技术对晶格膨胀进行表征以及理论计算模拟,发现在低电压下,BFO薄膜中首先出现一种到未曾报道的氧缺失相。在非原位的高电压样品中观察到薄膜的晶格拉长。并通过EELS表征Fe、O价态变化,描述了BFO材料在电化学诱导的氧离子吸附/脱出引起的原子级的结构演化图像。证实通过电化学方法调控氧迁移是实现大的晶格可逆膨胀的新方法。本博士论文写作安排如下:第1章:绪论,概述离子输运材料的离子输运性质、应用及重要的研究方向。第2章:简介扫描透射电子显微镜原理和空间分辨率,电子能量损失谱原理、空间分辨率和数据处理方法,以及原位电镜技术在离子迁移表征研究中的应用。第3章:样品生长与原位器件制备。第4章:Li4Ti5O12材料中O2-/Li+双离子协同输运性质的原子尺度研究。第5章:BiFeO3薄膜在电化学过程中因氧空穴迁移产生了巨大且可逆的形变研究。第6章:总结与展望。