磁力显微镜(MFM)是一款强大的能在微观尺寸上研究物质表面磁性的成像仪器。它是从原子力显微镜演变而来,可以看成是配备有磁性探针的原子力显微镜的一种特殊成像模式。自从Martin等人于1987发明该仪器以来,MFM已在基础磁性材料科学以及现代磁存储器件领域取得了巨大的突破。例如,对多铁ErMn03中涡旋核周边铁电畴壁的磁成像,超导领域中vortices的直接成像及操控,以及我们在锰氧化物样品中观测到的反铁磁相从纯铁磁相中析出。现今而言,对MFM仪器本身的研究主要集中在:对成像结果定量分析,提升仪器成像质量,以及提升仪器可工作的磁场强度上。除此之外,随着微米甚至纳米尺度的小器件研究的兴起,一款能够定位到单个器件样品,在一个较大的温度范围以及强磁场条件下对其直接成像的MFM也显得尤为重要。基于以上考虑,我们自主设计了一款具有以上多项需求的多功能MFM。我们在这台MFM的基础上做了大量前沿样品测试工作。我们按照内容不同,将本文分为两部分。在第一部分中,我们首先简要介绍了 MFM(第一章),随后我们介绍了一款自主搭建的MFM仪器设备(第二章)。在第二部分中(第三到六章),我们展示了针对不同体系样品的测量结果。在此工作期间,我们将精力主要放在提升仪器成像质量上面,对于得到的测量数据,我们也认真分析给出了结果。第一章中,我们介绍了 MFM发展历史,解释了图像中不同对比度的含义以及工作模式等。为了能提升仪器性能,我们尝试了大量不同的材料,改进了工艺部分,尝试了多种设计并最终成功搭建了一台性能良好的MFM。这部分内容将在第二章中介绍。第三至六章为测试结果。在第三章中,我们使用自制设备,首次在只有四个单胞厚度(～2 nm)的超薄氧化物异质结中观测到了 Skyrmions以及Skyrmions 簇,这部分工作已被 Nature Materials(If=40)接收。在第四章中,我们系统研究了 Pr0.5Ca0.5Mn03薄膜中电子多重序的动力学行为。我们发现当磁场高达17.6 T时,才能使其完全融化。这是该类仪器目前能工作的最强磁场记录。这部分工作发表在ACS Applied Materials&Interfaces(If=8.1)。在第五章中,我们通过调节电阻态,在一系列锰氧化物样品中都合成了一种畴壁结构(DWs)。在MFM的辅助下,我们系统研究了该DWs的物理性质,以及DWs对相分离的作用。总得来说,这项工作有三个重大突破:(1)这种DWs自发形成环状结构,不受温度磁场的作用。(2)通过直接成像观测,我们证实这种DWs是铁磁并且导电的。畴壁的居里温度高达280 K,这个温度非常接近室温,意味在实际器件学上有重大应用潜力。(3)更让人惊奇的是,该畴壁结构能够充当相分离的边界,极大的限制了样品中相分离的行为。这部分工作已被Advanced Materials(IF=22)接收,我为第一作者。二维材料是现今研究热点,在量子自旋器件学上有着举足轻重的地位。研究二维材料中特殊的行为方式就显得尤为重要。然而要研究二维材料,一般需要满足两个条件。第一,需要制备出有着极其均匀结构的二维材料。其次,需要相对苛刻的实验条件,例如,低温强磁场等。翟晓芳课题组最近生长出一种整个薄膜结构非常均匀的超薄LaCo03样品(D.Meng et al.,PNAS 115,2873(2018)。我们使用该材料来研究二维磁畴结构(约11.3 nm)。在第六章,我们首次报道了一种在原子,电子结构都非常均匀的样品中观测到的纯相分离行为。虽然样品几乎处于化学计量态(氧空位少于0.8%,目前最好的记录),但是我们依然在4.5 K下,13.4 T的磁场中观测到各占一半的铁磁相与非铁磁相的相分离行为。我们的发现对二维材料的未来研究有着重要的意义。