晶界作为材料中广泛存在的缺陷，它的结构和行为很大程度上决定了多晶材料的物理、化学和力学性能。虽然透射电子显微技术的发展已经将材料研究推进到亚埃尺度，但是由于晶界结构本身的复杂性以及传统透射电镜二维投影成像模式的限制，人们对实际晶体材料中的晶界结构的认知还极其有限。我们通过原子分辨率电子层析三维重构技术成功地解析了金属晶界的三维原子结构，包括大角的结构单元型晶界和小角的位错型晶界。与传统研究中普遍认为的晶界具有一维平移周期性不同，研究表明实际晶体材料中大角晶界的结构单元在三维空间不具有平移周期性。晶界原子配位数分析与曲率分布表明大角晶界的结构单元分布与晶界局部曲率有关。小角晶界的三维重构结果表明晶界位错形成了大量割阶和扭折。从三维原子尺度对割阶和扭折直接成像从实验上证实了半个多世纪前理论上提出的位错割阶和扭折模型。基于晶界原子坐标，可以同时获得晶界的晶体学信息与三维原子结构，由此能够全面解析晶界结构信息。通过电子层析三维重构技术所获得的晶界三维原子结构为后续晶界实验研究与计算模拟提供了重要参考，可以推动晶界结构与行为、晶界-位错交互作用的研究。
利用原位像差校正高分辨透射电镜、旋进电子衍射和定量应变分析，在尺寸小于10纳米的金纳米线中发现晶界结构存在显著的尺寸效应，该尺寸效应能有效地提高纳米线的力学及导电稳定性。这一研究揭示了超纳尺度金属材料中晶界结构的尺寸效应及行为。当纳米线直径大于10纳米时，取向差小于15°的晶界以位错型(DGB)形式存在，而取向差大于15°的晶界以结构单元型(SGB)存在，与块体材料相似。随着纳米线直径减小到10纳米以下，位错型与结构单元型晶界的临界取向差将大于15°并且随纳米线直径减小而增大。当纳米线直径为2纳米时，取向差为28.6°的大角晶界仍然以位错型的形式存在。原位透射电镜形变和电学测量结果表明，纳米线中位错型晶界导致的电阻增加远低于结构单元型晶界，这提高了纳米线的导电稳定性。这一原子尺度的原位定量电子显微学研究揭示了超纳尺度小尺寸金属材料中晶界结构的尺寸效应，这一效应同时提高了材料的力学及电学稳定性，因而可能为微电子互连以及纳米器件的设计提供新的思路。
通过原位透射电镜观察和定量应变分析，发现孪晶片层厚度对不同类型位错活跃程度和位错形核处局部应力集中有明显影响，位错的主导形核机制在某一临界片层厚度(18 nm)会发生转变。这一研究揭示了块体纳米片层结构(比如孪晶)材料的微观变形机制与宏观力学性能之间的关系。由于位错形核和局部应力集中有关，所以纳米孪晶铜变形的主导位错形核机制主要取决于孪晶界台阶处和孪晶界/晶界交界处的局部应力集中程度。而局部应力集中程度受孪晶片层厚度的影响，在孪晶界台阶处的局部应力集中程度随着孪晶片层厚度的减小而减小，孪晶界/晶界交界处的应力集中程度随着孪晶片层厚度的减小而显著增加。两者应力集中程度相当时对应的临界孪晶片层厚度为18nm。这一原子尺度的定量应变分析的结果与宏观力学性能测试得到的临界孪晶片层厚度(15nm) 吻合，这为预测进而优化具有纳米片层结构的金属材料的力学性能提供了新途径。
体心立方（bcc）结构的金属和合金被人类广泛地应用在生产和生活当中。它们最主要的优点是在很宽的温度范围内和很大的应变状态下都表现出很高的强度，因此体心立方金属的变形行为一直以来都是物理学家和材料学家所关注的问题。但是体心立方金属的微观变形机制比较复杂，到目前为止人们对它的了解还很不透彻。我们通过原位透射电镜观察和定量应变分析，结合分子动力学计算，揭示了金属Mo在应力加载下由<001>取向的bcc晶粒通过面心立方结构（fcc）的中间相转变到<111>取向的bcc晶粒，实现了15.4%的拉伸应变。这一研究揭示了单质金属在高应力条件下的应力诱发相变变形机制。这说明了即使是bcc结构非常稳定的难熔金属Mo，当内部产生局部应力集中，而其它变形方式又受到抑制时，也会产生结构相变。在塑性变形时，应力诱发相变可以部分地释放材料内部的应力集中，从而协调材料的变形，阻止微裂纹的萌生和扩展，最终为改善体心立方金属的塑性做出贡献。此外，bcc1→fcc→bcc2相变所对应的54.7?晶格转动也为金属变形时的晶粒扭转提供了一条新途径。
金属间化合物虽然具有优异的高温力学性能，适合用作耐高温材料，但是它们在室温下的脆性严重地阻碍了其工业应用。这类材料要实现塑性变形，往往需要加热到很高的温度（脆-韧转变温度以上），位错才可能被激活。由于金属间化合物具有复杂和特殊的结构，位错在其中的运动不像在金属中那样简单，它们的滑移往往需要涉及几个甚至几十个原子的协调运动，而不仅仅是在某个固定的滑移面上简单的剪切过程。这样，位错滑移的区域也由一个滑移面扩展为一个滑移区域。这样复杂的过程需要通过高温的热激活降低原子间的键合，从而使得原子的协调运动成为可能。但是，目前还没有足够的实验证据显示这个复杂滑移过程的具体步骤，以解释热激活是如何促进位错运动的。我们利用球差校正电镜发现在Laves相金属间化合物中，位错通过反复地在上下两个不同的滑移面间来回跳跃，从而以波浪形状的路径向前滑移。这种位错滑移机制的产生归结于Laves相中不同原子层之间结合力的不同。这种特殊的变形机制将有利于解释金属间化合物在高温变形时存在脆-韧转变的特性。
