透射电子显微技术是窥探材料原子与电子结构的有力工具。随着二维材料的兴起，众多奇特低维物理现象被相继发现，同时催生出一系列材料物理的新分支，如扭角电子学，滑移铁电，谷自旋电子学等。研究二维材料这些奇特物性的物理起源，首要步骤是在原子尺度深入了解材料的晶体与缺陷结构与物性的系统关联，进而进行结构工程的物性调控，对二维材料功能器件的改进与性能提供具有重要意义。然而，由于二维材料的极限厚度，只有少数几种二维材料在单层极限下在大气环境中是稳定，大部分新型二维材料，如铁电性，铁磁性或超导的单层材料在大气环境下会迅速劣化，无法表征其缺陷的精细结构。在这个报告中，我将报道定量衬度分析技术在二维材料缺陷表征中的应用与方法学发展，以及我们课题组在克服二维材料水氧敏感性的一些设备创新尝试。我们搭建了一套具有完全知识产权的大型氛围控制互联系统，将水氧敏感二维材料的生长-表征-转移-高精度结构解析-器件制作与测量整个实验过程都保护在惰性氛围下。我们利用该系统在直接观测二维敏感单层材料晶格原子结构与缺陷中取得的一些初步成果，包括单层敏感WTe2的大范围无损本征褶皱结构，MoTe2/WTe2本征缺陷的统计分布，少层卤族铁磁反铁磁材料的直接CVD制备与无损表征，单层CrI3的缺陷磁性调控，层状拓扑反铁磁绝缘体MnBi2Te4的自发表面重构现象等。最后，我将讨论透射电子显微技术发展的新机遇与新挑战，包括低温冷冻电镜技术在二维材料中的应用，透镜消磁技术研究二维磁性与超导相变等。