纳米科学自上世纪被提出以来已经取得了丰硕的成果,这离不开电子显微镜技术的不断发展。近年来,二维材料因为其新奇的物理特性而得到研究者们广泛的关注,本课题以二维材料为切入点,围绕定量电子显微镜学完成了两部分工作。第一部分:层厚对于二维材料的物理性质有着重要影响,尤其是单原子层厚的二维材料,我们提出了一种定量电子衍射的方法,确定了单原子层厚的二硒化铼及其在垂直方向上的晶体学取向,这对于各向异性的器件的表征也有重要影响;第二部分:原子级分辨的电子显微图像能提供原子尺度上的微观信息,但是缺乏在相对宏观尺度上的统计信息,为了能够高效和准确地分析这两个不同尺度上的信息,我们开发了一套图像处理程序,基于数据科学中的工具,实现了自动化地统计原子级分辨图像中原子的分布情况,最后得到原子局域晶体学环境的信息。在目前对层状二维材料的研究中,与石墨烯,六方氮化硼和二硫化钼等六方结构材料相比,低对称性二维材料在各向异性器件中的应用中显示出了巨大的潜力。体相的二硒化铼属于空间群P1,是畸变的碘化镉结构,即低对称性的三斜晶系。这里我们提出了一种基于定量电子衍射的方法,用来区分二硒化铼的单层与多层,同时还确定了单层的两种不同垂直取向。从我们的原理出发,该方法也可以应用于其他低对称性晶系,包括三斜晶系和单斜晶系,只要它们满足单胞的第三个基矢量不垂直于它们的基底平面。我们从实验结果上,很好地印证了运动学电子衍射理论和多层法模拟的推断。最后,我们讨论了该方法对其他二维材料的推广,例如石墨烯。随着电子显微镜成像技术的不断发展,分辨率的不断提升,原子尺度的结构和功能数据的采集越来越普遍。这些数据为我们提供了丰富的信息,例如功能表征中应用的高维度的谱学数据和结构表征中原子的位置、种类、排列等信息,为了分析这些复杂和海量的数据,数据科学将在后期实验数据分析中发挥越来越重要的作用。原子级分辨的扫描透射电子显微镜直接反映了二维材料的原子结构信息,特别适合用来表征掺杂的过渡族金属硫族化合物,为了从图像中高效地提取信息,我们开发了一套图像处理程序,用来确定合金化二维材料中的原子位置和种类,并在此基础上分析原子的局域环境,并计算合金化程度。