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Das hohe Auflösungsvermögen moderner Transmissions-Elektronenmikroskope (TEM) unter einem Angstrom ermöglicht die Untersuchung von Materialien auf atomarer Ebene. Mit dem TEM können sowohl die atomare Struktur als auch dynamische Prozesse direkt beobachtet und damit Rückschlüsse auf physikalische und chemische Eigenschaften gezogen werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Charakterisierung von Graphen - einer einlagigen Kohlenstoffschicht mit herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften - mit Hilfe unterschiedlicher TEM Verfahren. Einerseits konnte die Qualität von unterschiedlich hergestellten Graphen-Proben an Hand von Strukturuntersuchungen verglichen werden. Andererseits wurden die Einsatzmöglichkeiten von Graphen als Träger- und Schutzschicht, Ausgangsmaterial, Substrat, sowie als Nano-Behälter untersucht. Als Trägermaterial wurde Graphen für Nanoteilchen verwendet, welche für biologische Anwendungen konzipiert wurden. Um geeignete Proben für TEM Untersuchungen herzustellen, waren Oberflächenpräparation und Optimierung der Transfermethode entscheidend. Die TEM Untersuchungen an Nanoteilchen (Au NCs, QDs und Nano-Diamanten mit atomaren Fehlstellen) auf Graphen ermöglichten eine direkte Beschreibung ihrer atomaren Struktur, Größe und Größenverteilung. Untersuchungen von DNA auf Graphen zeigten, dass die Abbildung von biologischen Proben auf Graphen-Trägermaterialen mittels TEM möglich ist. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass Graphen auch als Schutzschicht für strahlempfindliche Materialien, wie z.B. C3N4 oder MoS2, geeignet ist und damit die Abbildung dieser Proben in ihrem ursprünglichen Zustand erlaubt. In Bestrahlungexperimenten konnten einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus einer Graphen-Doppellage geformt werden. In einem weiteren Experiment gelang es aus den Adsorbaten auf Graphen eine weitere Graphen-Lage (in-situ) unter Elektronenbeschuss zu wachsen. Weitere Experimente an Wasser, das zwischen zwei Graphen-Lagen eingeschlossen wurde (nano-confinement), erlaubten erstmals die direkte Beobachtung und Charakterisierung einer neuen Modifikation von Eis bei Zimmertemperatur: dem "square ice". Nicht zuletzt wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode zur Säuberung von Graphen-Oberflächen von Adsorbaten mit Hilfe von Adsorptionsmitteln entwickelt, dem sogenannten "dry-cleaning".