技術|一文看懂XRD基本原理

　　XRD全稱X射線衍射（X-RayDiffraction）,利用X射線在晶體中的衍射現象來獲得衍射后X射線信號特征，經過處理得到衍射圖譜。利用譜圖信息不僅可以實現常規顯微鏡的確定物相，并擁有“透視眼”來看晶體內部是否存在缺陷（位錯）和晶格缺陷等，下面就讓咱們來簡要的了解下XRD的原理及應用和分析方法，下面先從XRD原理學習開始。

　　1、X射線衍射儀的基本構造

　　XRD衍射儀的適用性很廣，通常用于測量粉末、單晶或多晶體等塊體材料，并擁有檢測快速、操作簡單、數據處理方便等優點，是一個標標準準的“良心產品”。

　　在X射線衍射儀的世界里，X射線發生系統（產生X射線）是“太陽”，測角及探測系統（測量2θ和獲得衍射信息）是其“眼睛”，記錄和數據處理系統是其“大腦”，三者協同工作，輸出衍射圖譜。在三者中測角儀是核心部件，其制作較為復雜，直接影響實驗數據的精度，畢竟眼睛是心靈的窗戶嘛！下面是X射線衍射儀和測角儀的結構簡圖。

　　2、X射線產生原理

　　X射線是一種頻率很高的電磁波，其波長為10-8-10-12m遠比可見光短得多，因為其穿透力很強，并且其在磁場中的傳播方向不受影響。小提示：X射線具有一定的輻射，對人體有一定的副作用，目前主要鉛玻璃來進行屏蔽。

　　X射線是由高速運動的電子流或其他高能輻射流（γ射線、中子流等）流與其他物質發生碰撞時驟然減速，且與該物質中的內層原子相互作用而產生的。

　　不同的靶材，因為其原子序數不同，外層的電子排布也不一樣，所以產生的特征X射線波長不同。使用波長較長的靶材的XRD所得的衍射圖峰位沿2θ軸有規律拉伸；使用短波長靶材的XRD譜沿2θ軸有規律地被壓縮。但需要注意的是，不管使用何種靶材的X射線管，從所得到的衍射譜中獲得樣品面間距d值是一致的，與靶材無關。

　　輻射波長對衍射峰強的關系是:衍射峰強主要取決于晶體結構，但是樣品的質量吸收系數（MAC）與入射線的波長有關，因此同一樣品用不同耙獲得的圖譜上的衍射峰強度會有稍微的差別。特別是混合物，各相之間的MAC都隨所選波長而變化，波長選擇不當很可能造成XRD定量結果不準確。

　　因為不同元素MAC突變擁有不同的波長，該波長就稱為材料的吸收限，若超過了這個范圍就會出現強的熒光散射。所以分析樣品中的元素選擇靶材時，一般選擇原子序數比靶的元素的原子序數小1至4。就會出現強的熒光散射。例如使用Fe靶分析主要成分元素為Fe Co Ni的樣品是合適的，而不適合分析含有Mn Cr V Ti的物質常見的陽極靶材有：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W,最常用的是Cu靶。

　　3、XRD基本理論基礎

　　(1)X射線衍射

　　X射線衍射作為一電磁波投射到晶體中時，會受到晶體中原子的散射，而散射波就像從原子中心發出，每個原子中心發出的散射波類似于源球面波。由于原子在晶體中是周期排列的，這些散射球波之間存在固定的相位關系，會導致在某些散射方向的球面波相互加強，而在某些方向上相互抵消，從而出現衍射現象。

　　每種晶體內部的原子排列方式是唯一的，因此對應的衍射花樣是唯一的，類似于人的指紋，因此可以進行物相分析。其中，衍射花樣中衍射線的分布規律是由晶胞的大小、形狀和位向決定。衍射線的強度是由原子的種類和它們在晶胞中的位置決定。