多价态的钙钛矿过渡族金属氧化物(ABO3-x)因其关于氧的化学计量学迷人的物理性质而受到了持续的关注。通过调节钙钛矿氧化物中过渡金属离子的配位环境,过渡金属的氧化态、金属-氧-金属键角、以及总的载流子浓度能够被改变,为调控钙钛矿氧化物中磁性、铁电性、超导性等提供了途径。精准的控制钙钛矿氧化物中氧的非化学计量学的能力至关重要,也构成了可逆控制其物性的先决条件。钙钛矿氧化物中氧的非化学计量学与其晶格中存在的氧空位密切相关,并且对其电输运及反应性质有着重要的影响。目前,因其较高的氧离子活性,钙钛矿氧化物已经被广泛的应用于固体氧化物燃料电池、氧气分离膜、阻变存储器、气体传感器、催化等领域。钙钛矿氧化物中氧离子的迁移和输运是其在器件应用中的核心过程。氧空位的形成和氧离子在外界刺激下的迁移构成了功能氧化材料和相关器件的基础。因此,实时可视化活性氧空位,探索原子尺度上的氧扩散途径,深入了解其结构-性质关系,最终实现物理性质的控制是十分必要和重要的。原位像差校正的透射电子显微镜（in situ aberration-corrected TEM）技术作为一种能够在TEM内部原位实时观察材料在外场（电场、光场、应变场、热场等）刺激下动态演变过程的新技术,为钙钛矿氧化物氧离子迁移的研究带来了可能。它不仅继承了球差矫正透射电镜对晶体结构高空间分辨率和电子结构高能量分辨率的巨大优势,而且还能在TEM内部同时实现对材料外部刺激下的动态演变过程的直接观察。本论文利用原位像差校正TEM研究了钙钛矿氧化物及其高缺氧相在外加电场和应力场作用下氧离子迁移和结构相变的动态过程和规律。本文的主要研究内容和结果如下:1. 一般而言,对于电子结构具有（eg）1或（eg）3构型的Jahn-Teller活性过渡金属离子,如Cr2+、Mn3+（d4）和Cu2+、Ni+（d9）,已经发现了其方形平面配位的情形。而通常,二价铁（d6）不具备Jahn-Teller活性。与Fe配位环境的变化相关的三维钙铁石结构Sr Fe O2.5向二维无限层结构Sr Fe O2相变中氧离子的迁移是一个非常令人困惑却又值得探索的问题。利用原位电学探针样品杆,在高真空(10-6 Pa)的球差校正的TEM腔体内构建了一个由W尖端（正极）/SrFeO2.5薄膜/导电的0.7%Nb:SrTiO3衬底（负极）组成的三明治结构。我们的结果表明,电场调控在TEM腔中可以作为诱导三维结构SrFeO2.5中氧离子迁移的一种手段,使得三维钙铁石结构的SrFeO2.5相转变为二维平面配位结构的无限层相Sr FeO2。外延生长于0.7%Nb:Sr Ti O3（NSTO）衬底上的SrFeO2.5薄膜的结构转变过程总体可分为两个步骤:首先,随着电场被施加于Sr Fe O2.5薄膜之上,薄膜中在NSTO衬底[1（?）0]方向上存在八面体倾转的b||畴会沿着相界收缩,并逐渐转变为八面体在衬底[1（?）0]方向平坦的a||畴,使得薄膜变为均一的畴结构。随后,随着Fe3+逐渐被电场还原,FeO6八面体的顶端氧原子被释放,部分氧原子排列在FeO4四面体中重新排列,以逐层的转变方式形成新的无限层相SrFeO2。2. 利用定制的脉冲激光沉积系统,通过调节薄膜生长的热动力学参数,选择与钙铁石结构SrFeO2.5晶格比较匹配的SrTiO3作为衬底,实现了钙铁石结构SrFeO2.5薄膜中面内及面外一维氧空位通道的调控。并结合原位球差校正电镜技术,研究了SrFeO2.5薄膜在面内及面外氧空位通道条件下薄膜中氧离子迁移的动态行为。研究发现,在外电场作用下,面内及面外氧空位通道钙铁石结构SrFeO2.5相变后均形成FeO4方形平面平行于衬底的无限层相SrFeO2,但处于面外氧空位通道的钙铁石结构SrFeO2.5到无限层结构Sr Fe O2相转变的速度明显更快、效率更高,大约为面内通道迁移速率的6倍,氧离子迁移具有明显的各向异性行为。3. LaCoO3中由于氧空位分布的不同,会对其结构、对称性和宏观物性产生明显的影响。探索LaCoO3在不同结构相之间转变的晶格自由度为设计性质可控的新型器件提供了新的思路。LaCoO3中氧空位分布的转变目前主要是依赖于过渡金属掺杂和热处理等方式。外延应力被认为与晶格自由度之间存在竞争,但一直没有得到合理的解释。利用原位电学样品杆,在像差校正的透射电镜内部构造了W针尖（正极）/LaCoO3薄膜/NSTO衬底（负极）的三明治结构。在实验中我们发现应力对外延LaCoO3薄膜中由氧空位电迁移所诱导的钙钛矿到钙铁石的结构转变有明显的抑制作用。电场诱导产生的氧空位序相同时被外延应力和外部负载所抑制。我们揭示的电场和应力场之间复杂相互作用的机制,为通过衬底的应力工程和外部激发操控新的物性开辟了广泛的应用前景。