多铁材料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,这类材料具有广泛的应用前景,包括换能器、存储器、传感器、硬盘读头等。研究清楚这类材料内部的电磁耦合机制对材料的器件化应用大有裨益。电子显微镜作为连接宏观世界与微观世界之间的桥梁和纽带,能够在实空间、动量空间、能量空间等多个维度对材料进行解析,可以在亚埃尺度上提供材料的结构信息,将会在多铁研究领域中扮演越来越重要的角色。本文综合利用电子显微学中的多种手段,系统的对以YMnO₃为代表的六方单相多铁锰氧化物进行研究,揭示了这类材料结构和性质之间的关联,解释了拓扑畴结构的演化机理,对材料的器件化应用有借鉴意义。首先,利用扫描电子显微中二次电子成像的原理,解释了不同畴区的亮度衬度来源,并且定量测量了不同铁电畴的二次电子产额区别。同样在介观畴尺度,利用透射电镜的电子衍射动力学的知识,发展了一种在双束暗场像条件下简单判断铁电畴极化方向的方法。然后在利用球差校正电子显微镜具有高空间分辨分析的能力,深入原子尺度对材料的晶体结构和电子结构进行表征。发现六方锰氧化物中会存在和本身对称性不一致的非六瓣畴结构,主要由于在拓扑畴核心处有不全刃位错的钉扎,两种拓扑缺陷之间相互协调会导致其他非六瓣畴核心的出现,在此基础上,利用朗道理论对其能量进行解析,利用同伦群理论对不同瓣数的涡旋畴进行系统分类,揭示了铁电涡旋畴和不全刃位错这两种拓扑缺陷之间的耦合关系,预测了其他的可能畴态。最后,在实验中观察分析得到六方锰氧化物中的特定对称位置的氧空位容易形成,并且会导致锰离子在面内的位移,建立了氧空位位点和材料磁构型之间的联系。利用氧空位的原理,将YMnO₃薄膜生长在提供压应变的基底上,能够实现锰氧六面体中顶点位置的氧空位,从而调控出薄膜材料中的铁磁性,实现单相多铁材料中的铁电-铁磁耦合,而不是传统单相多铁材料中的铁电-反铁磁耦合,对单相多铁材料的器件化应用做了铺垫。