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纳米材料有着许多不同于其体材料的物理性能与行为，纳米尺度材料在外场作用下的结构-性能关系是当前纳米材料研究的热点问题之一。目前，基于纳米材料（纳米管/线，薄膜）多种功能器件的设计、组装、集成，特别是半导体领域通过等比例缩小的方法提高场效应管的性能，受到越来越多物理极限的限制，迫切需要人们了解纳米尺度下材料的物理性能及结构演变。然而，由于纳米材料极小的尺度，如何在原位观测尤其是原子尺度的原位观测下实现对纳米材料单体的操控，进而研究单体纳米材料的性能变化以及结构演变是一个极具挑战性的工作。 本论文以透射电子显微镜和扫描电子显微镜为基本研究平台，结合Nanofactory电学样品杆，开发并完善此平台的科学研究功能，实现原位外场加载下单体纳米材料如Si、SiC、ZnO、Ge2Sb2Te5等纳米材料性能调控的研究，结合高分辨的实时结构演变与相应性能的测试，探索纳米材料结构演变与性能关系的规律，为新型器件的开发、应用打下坚实的理论基础，提供必要的详实数据。具体的研究内容如下: （一）采用Nanofactory的电学样品杆和电子束诱导沉积技术，在透射电镜中对半导体纳米线实现了原位的力场加载（单轴拉伸、压缩和弯曲），并同时对半导体纳米线进行了电学性能测量，根据其I-V曲线计算出迁移率、载流子浓度的变化。在SEM中完成对半导体纳米线的单轴拉伸，并用阴极荧光光谱记录应力作用下的光学性能变化，建立应变下电学性能变化和能带带系之间的关系。主要研究结论是: (1)发展了自上而下的样品制备技术，制备不同取向的Si纳米线。发现P型<110>取向的Si纳米线，无论拉伸还是弯曲，纳米线的导电能力随着应变的增大不断提高。在拉伸应变1.5％时，导电能力提高24.2％，在弯曲应变下，在应变为6％时，导电能力提升67％。 (2)对于自下而上制备的纳米线，实现了单根ZnO，SiC纳米线单轴拉伸/压缩下的电输运特性的研究，发现[111]取向的SiC纳米线在9.35％的超大弹性应变下，依然保持着与体材料相近的压阻系数，这为SiC纳米传感器的发展提供基础的实验数据。实现ZnO纳米线单轴拉伸应变加载下物理性能的调控，发现随着应变的增大，谱峰发生红移。在透射电镜中实现单根纳米线的单轴拉伸和压缩，发现ZnO纳米线的电导在拉伸应变下上升，在压缩应变下下降。将原位光学性能的变化（反映出能带变化）与原位电学性能的变化关联起来，建立起来应变、带隙与电导率的关系;对同一根ZnO纳米线同样的弯曲过程中，得到完全不同的力电响应，阐明了不同接触模式下ZnO纳米线力电响应完全相反的原因。 （二）利用原位透射电镜技术对多种纳米材料进行了电场的加载，实现了高分辨透射电镜中的原位外场加载和电学性能测量。对商用的样品杆进行了改造，以实现纳秒级电脉冲的加载，研究了在电场/电脉冲等外场加载下材料结构演变过程。主要结论如下: (1)利用电子显微学方法，发展了一种新型的单根碳纳米管以及纳米管阵列的制备技术。以单根InAs纳米线为模板，通过电子束诱导沉积在表面形成非晶碳膜，形成纳米线-非晶层的核壳结构，然后在纳米线两端逐渐增大电压，直到将纳米线熔掉并在电迁移的作用下转移形成空管，并且外层空管转变成晶体纳米管。当两端电极间以纳米线阵列为模板，利用上述方法，还可以形成碳纳米管阵列。 (2)结合TEM表征和电学测量，对Ge2Sb2Te5纳米薄膜研究电致相变过程。发现Ge2Sb2Te5薄膜的结晶过程是一个两步晶化的过程:从非晶到多晶再到单晶。在多晶到单晶的转变中，Ge2Sb2Te5纳米薄膜始终保持面心立方结构，不同于加热实验的非晶到多晶面心立方结构再到多晶密排六方结构的转变。电场引起的单晶-多晶转变会导致一个数量级的电导提升。这个转变由晶粒合并导致的。并通过电脉冲实现了非晶-多晶-单晶的循环转变。 (3)通过纳秒级的电脉冲实现了Ge2Sb2Te5纳米薄膜的非晶化过程，对得到的非晶Ge2Sb2Te5纳米薄膜施加一个恒定的电压，研究在电压下的预结构现象，发现非晶Ge2Sb2Te5纳米薄膜在电压下形成了晶核并长大，并研究了晶化过程中非晶-晶体界面的重要作用。