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由于丰富的物理内涵与潜在的应用价值,复杂氧化物薄膜在近几十年来一直是凝聚态物理和材料科学领域的热门研究话题,并随着合成技术的进步而产生丰富多样的结构构型。透射电子显微镜(TEM)就是一种可以提供高分辨率表征手段的强有力的研究工具,能够在多个维度对材料进行解析,并可以在原子尺度上提供材料的结构信息。本学位论文通过透射电子显微术,系统地研究了几种典型的复杂氧化物薄膜材料的微观结构和原子尺度的界面精细结构,并获得如下主要结论:系统研究了在SrTiO3衬底(001)晶面上生长的自组装Nb:SrTiO3(NbSTO)-Au复合薄膜。结果表明,薄膜外延生长在SrTiO3衬底上,具有良好的结晶性。在薄膜中,Au随着含量的不同,以柱状或颗粒状镶嵌在NbSTO基体中,Au和NbSTO基体为“立方-立方”取向关系。利用原子尺度的高角环形暗场(HAADF-STEM)技术研究了薄膜系统中的NbSTO-Au异质界面,其界面原子连接方式为[SrO-Ti/NbO]NbSTO-[Au]Au。基于结构分析我们给出了 NbSTO-Au复合薄膜的生长机理,在这种贵金属-氧化物体系中,异质界面的弹性能和表/界面能是影响Au纳米结构在NbSTO基体中生长的决定因素。通过控制Au与NbSTO之间的比例,可以在纳米复合体系中实现Au纳米结构的可控性,从而调控可见光区域的吸收特性。通过脉冲激光沉积在SrTiO3衬底(001)晶面上制备了 La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)-SrIrO3(SIO)超晶格薄膜,透射电镜结果表明薄膜具有高度外延性和设计周期性。几何相位分析和定量晶格测量表明,外延应力在决定LSMO/SIO超晶格的厚度梯度生长模式中起主要作用。通过球差校正透射电镜HAADF-STEM技术,确定了沿生长方向LSMO/SIO的界面结构为SrO-IrO2-(La)SrO-MnO2。此外,通过原子尺度能谱分析我们观察到了界面处的元素掺杂,通过定量电子能量损失谱分析,我们确定了界面元素掺杂对LSMO层Mn价态的影响。通过扫描透射环形明场(ABF-STEM)像直接观察了超晶格的氧八面体中氧离子的位移,这导致氧八面体的不对称旋转,并且氧八面体在界面处存在的较弱的耦合。我们的工作对于解释自旋-轨道耦合的过渡金属氧化物性能提供一定的理论支撑。通过原子尺度HAADF-STEM图像的定量技术,对钕(Nd)掺杂的BiFeO3(BNFO)薄膜的原子结构和铁电极化构型进行了系统地分析。结果表明,在BNFO基体内部为向下极化,而靠近薄膜表面区域我们发现了不同于基体的电畴区域,在这些区域为向上的极化布局,由水平方向的71°带电畴壁,与之相连的纳米畴和相关的连接组成。纳米畴可分为水平和垂直方向,这种纳米畴的形成可以避免直接的71°“头-头”的极化布局,从而减低总体能量。此外,通过单胞尺度的应力、极化矢量图和相关分析,我们揭示了在畴壁以及附近区域Nd掺杂的聚集现象。屏蔽表面束缚电荷和最小化畴壁能,是形成这种有趣复杂畴的决定因素。使用脉冲激光沉积在Al2O3衬底上合成了一种新型超晶格薄膜Bi3Mn2Ox(BMO),我们应用了原子尺度的HAADF-STEM和ABF-STEM成像技术,对BMO原子结构和界面精细结构进行了详细分析。结果表明,纯BMO相可以直接生长在Al2O3衬底上,BMO结构由两个[Bi303+δ]和[MnO]亚晶格交替堆垛组成,沿薄膜面外方向的周期为～13.1A,并且在面内方向存在普遍的亚晶格位移。BMO薄膜中存在与取向相对应的三种畴,分别对应面内旋转0°,90°和180°,这可以平衡新结构形成所产生的应力。新的BMO薄膜的设计和制备,对于探索新的具有潜在应用价值的层状氧化物具有重要意义。