磁性斯格明子是一种具有拓扑保护的非平庸的自旋结构,其稳定性和丰富的动力学行为主要由其拓扑物理性质决定。目前在不同材料体系发现了尺寸不同的磁性斯格明子,其尺寸甚至可以小到几个纳米。单个磁性斯格明子可看成一个带有拓扑电荷的准粒子,具有粒子性,可以通过外场调控其生成、湮灭以及运动,且驱动磁性斯格明子运动所需电流密度比传统磁畴低5-6个数量级。这些特性使得磁性斯格明子可以作为信息存储单元,应用于“算盘型”信息存储器件和逻辑器件中,比如硬盘、赛道内存等。一般认为,磁性斯格明子存在于具有手性相互作用的非中心对称体系或界面对称破缺的多层膜体系,这种由对称性破缺引入的DMI相互作用使得磁性斯格明子具有非平庸的手性特征。目前在具有中心对称破缺的块体材料或其外延薄膜中观察到的磁性斯格明子绝大多数只能在室温以下很小的温区和外加磁场下才能稳定存在,不利于存储器件的实际应用。最近,大量的研究工作发现,在界面对称破缺的多层膜体系中观察到的磁性斯格明子可以在室温附近稳定存在,并能实现电流驱动。具有室温磁性斯格明子的薄膜材料体系目前主要集中在具有垂直磁各向异性的多层膜材料体系中,其参数易调、与器件的良好兼容性以及电流调控行为的优势使其有利于实际应用。但在这种垂直磁各向异性多层膜中,外加磁场生成的磁性斯格明子密度一般很小。如何获得室温稳定且易于调控的磁性斯格明子仍然是目前的研究难点。选择和开发合适的材料体系,深入系统的研究磁性斯格明子生成、调控过程是解决当前难题的关键。在垂直磁各向异性的多层膜材料体系,界面对称性破缺产生的DMI对于生成稳定的手性磁性斯格明子非常关键,实际上多层膜材料体系中其他能量的竞争如海森堡交换相互作用能、垂直磁各向异性能和外场能（比如外磁场引入的塞曼能）对磁性斯格明子的生成和调控也有很大影响。因此系统研究材料参数对磁性斯格明子的影响对于实现易于调控的室温磁性斯格明子具有指导意义。室温磁性斯格明子多层膜材料作为一种潜在的“变革性”的磁存储材料,有望实现高密度、低能耗的信息存储。为此,本文利用洛伦兹透射电子显微术,结合多种磁性和磁输运性质测量技术,在Pt/Co/Ta多层膜体系中系统研究了垂直磁各向异性和外场（电、磁场）调控与磁性斯格明子生成之间的关系,首次在面内各向异性的多层膜中观察到高密度磁性斯格明子;并从微观磁结构角度建立了磁性斯格明子演变与拓扑电阻率之间的关联;通过电磁协同调控实现了垂直磁各向异性多层膜中磁性斯格明子密度可调并在最佳的调控条件下得到了零场下非易失的高密度磁性斯格明子。主要内容包括:1、合理选择并设计了Pt/Co/Ta多层膜体系,系统研究了垂直磁各向异性与磁性斯格明子（50 nm）生成之间的关系。多层膜设计思路:a、选择具有强DMI的Pt/Co界面和弱DMI的Co/Ta界面,通过不对称的Pt/Co/Ta三明治结构增强净界面DMI,有利于非平庸手性磁性斯格明子的生成。b、利用Co层厚度变化调节体系垂直磁各向异性,实现多层膜体系平均磁矩从垂直于膜面的“垂直膜”到平行于膜面的“面内膜”的连续转变。因此,在该多层膜体系只需生长不同厚度的Co层就能调控多层膜垂直磁各向异性,且Pt/Co的基础研究和制备技术已经非常成熟,实验上容易实现并且可重复性强。通过磁滞回线测量确定垂直磁各向异性和Co层厚度之间的定量关系,并与洛伦兹透射电镜观察的微观磁畴演变过程相对应。实验发现,随着Co层厚度的增加,多层膜样品从垂直磁各向异性的“垂直膜”向面内各向异性“面内膜”转变,生成的磁性斯格明子密度随之增大,同时伴随自旋构型的变化。尤其是,相比于以往具有垂直磁各向异性的磁性斯格明子多层膜体系,首次在具有面内各向异性的多层膜中发现更高密度的磁性斯格明子,这是由于面内各向异性多层膜具有相对更小的磁性斯格明子生成势垒,更有利于磁性斯格明子的生成。2、利用洛伦兹透射电镜和磁输运性质测量手段,建立了拓扑霍尔电阻率与外磁场下磁性斯格明子微观结构演化之间的对应关系。在垂直各向异性和面内各向异性多层膜中测得的拓扑霍尔电阻率曲线中均观察到明显的拓扑霍尔电阻率峰,进一步证实了在该体系中的磁性斯格明子具有非平庸的特性。测量数据表明,随着Co层厚度的增加,拓扑霍尔电阻率峰在外加磁场上的展宽和升降磁场时峰值的不对称,都能与洛伦兹透射电镜观察到的磁性斯格明子在外加磁场的演变过程有很好对应。进而建立了拓扑霍尔电阻率与外磁场下磁性斯格明子微观结构演化之间对应关系。在具有明显拓扑霍尔电阻率（110-130nΩ?cm）的面内各向异性多层膜材料中,可调控、高密度、宽温域稳定性（12-300K）非平庸磁性斯格明子的发现,为探索新型室温磁性斯格明子多层膜材料提供了可能,为进一步实验和理论研究提供了重要的研究数据,从而促进磁性斯格明子在存储器件的应用。3、在上述多层膜对磁性斯格明子研究基础上,通过搭建原位透射电镜电学测试样品台,利用洛伦兹透射电镜和原位技术,我们通过电、磁协同调控的方式实现了对具有垂直磁各向异性Pt/Co（1.85）/Ta多层膜体系磁性斯格明子的生成和密度调控。实验发现,垂直磁各向异性多层膜中的低密度的磁性斯格明子可以通过电磁协同调控增大。在预先施加合适固定磁场情况下,电流可以诱导生成高密度磁性斯格明子,并且可以在最佳的实验条件下实现零场稳定存在。高密度、零场稳定的磁性斯格明子的生成与电磁相互作用中自旋霍尔力矩对条状磁畴的动力学效应,结构缺陷的钉扎效应以及磁相变过程中能量势垒的改变有关。该结果不仅开辟了一种替代方式来生成磁性斯格明子,而且还提供了进一步理论模拟的关键数据,用以揭示电流与不同自旋组态间相互作用的本质。