在信息技术高速发达的今天,人们对数据存储密度和读写速度提出了新的需求和挑战。磁存储作为一种最主要的存储媒介,发挥着无可替代的作用。磁存储技术的发展和革新往往伴随着基础物理问题的突破,以磁硬盘存储为例,基于巨磁阻效应的读出磁头大大增加了数据读取的灵敏度,进而将存储密度提升至Gbit/in2。垂直存储介质替代水平存储介质进一步提升了存储密度,但仍然受制于超顺磁效应而很难突破Tbit/in2。如何进一步提升存储密度,不仅仅是一个技术难题,还需要深入理解和认知其背后的磁学机制。另一方面,纳米尺度的磁拓扑结构,包括磁涡旋畴、斯格明子和手性磁畴壁,被认为是下一代磁存储技术的突破,例如赛道存储器。其中特别是斯格明子,因其物理尺寸小,拓扑保护和驱动电流低等优势备受关注,但如何在室温和无磁场环境下稳定获得并操纵物理尺寸小于30 nm的斯格明子是该领域的研究热点和难点。因此深入理解纳米磁拓扑结构的物理机制是磁学应用的重要基础,需依赖于先进的高分辨成像测试手段进行材料分析和器件表征。基于这些应用前景,近三十年来,磁性薄膜和超薄膜的结构表征、磁学性能、界面效应和层间耦合一直是人们研究的热点和难点。自旋极化低能电子显微镜是一种实时原位,具备单原子层磁灵敏度和纳米横向分辨的磁学成像手段,其广泛应用于表面科学和低维磁学的研究,包括自旋重取向相变、反铁磁层间耦合、磁畴壁手性调控等等。过去自旋极化低能电子显微镜磁分辨率受限于物镜的像差以及电子源的亮度和自旋极化度,大约在10-20 nm区间。如果进一步将其磁分辨率提升至nm,将为深入理解纳米尺度磁拓扑结构诸如斯格明子的研究提供重要表征手段。基于镜像消像差技术的像差纠正低能电子显微镜系统目前可稳定获得优于1.8 nm的空间分辨率,而透射式超晶格光阴极则可实现高于90%的自旋极化度和小于1.5μm的电子束初始束斑,因而通过合理设计光路,结合像差纠正技术和高亮度高自旋极化度电子源,理论上可以实现2-3 nm的磁空间分辨率。这一突破将直接成像纳米尺度畴壁和布洛赫线的磁矢量分布,将解决超薄膜磁学的关键问题,与其他磁学成像手段形成强有力的互补。本论文主要介绍像差纠正自旋极化低能电子显微镜的设计和研发过程,通过结合像差纠正技术和高亮度高自旋极化度电子枪,我们实现了3.3 nm的磁空间分辨率。我们完成了背投式高亮度自旋极化电子枪的设计和搭建,实现了92%的自旋极化度和优于1.5μm的激光聚焦斑点,这些是获取高亮度高自旋极化电子束的重要保证。为了在360度全空间操纵电子自旋的同时保证电子束的光束质量,核心部件八极子自旋操纵器的机械加工和对中误差需要小于30μm。自旋极化电子枪和低能电子显微镜系统的电子光学耦合通过三个磁透镜完成。三磁透镜的光路设计旨在实现磁偏转器（MPA）中轴线（Axial Ray）对称分布,而场线（Field Ray）反对称分布以达到系统光学最优。虽然自旋极化电子枪无法实现无色散光路,但自旋极化电子源相对较小的能散（<0.24 e V）并不会影响系统的空间分辨率。实际调试时,我们在第一个磁偏转器上方像平面位置安装荧光屏用来观测电子束的聚焦状态,并优化三个磁透镜的组合获得正确的电子束尺寸和张角,最终我们完成两个系统的机械和电子光学耦合,成功实现了第一台像差纠正自旋极化低能电子显微镜。该系统在Graphene/Si C（0001）体系可获得2.85 nm的空间分辨率,在Fe/W（110）体系获得高达17%的自旋非对称度和3.3 nm的磁分辨率,将自旋极化低能电子显微镜的磁空间分辨率提升将近一个量级。我们重点分析了单晶体Fe纳米岛上磁拓扑结构的面内矢量分布,并利用该技术手段观测到了铁岛上磁涡旋畴的核。我们发现了Fe岛上双涡旋畴的Omega亚稳态,模拟结果表明该岛很有可能为退火过程中两个小岛合并而成,并分别保持着合并前的磁状态。与此同时,我们基于泵浦探测技术初步完成该系统时间分辨功能的搭建和测试,实现了7 nm的超快磁成像,为将来超快磁动力学研究提供核心基础。本文最后,我们讨论了利用低能电子成像超快激光光场的可能性,并给出可行实验方案。该系统将是独一无二的超快自旋极化像差纠正低能电子显微镜,将开启原位超快高分辨表面物理化学领域新方向,是集三维空间,时间和自旋为一体的五维超快原位表面显微镜。