作為結(jié)構(gòu)研究的一種重要方法，XRD在材料研究中具有非常重要的應(yīng)用。

X射線衍射(X-RayDiffraction)利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來(lái)獲得衍射后X射線信號(hào)特征，經(jīng)過(guò)處理得到衍射圖譜。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。


1、X射線衍射儀的基本構(gòu)造
 

XRD特別適用于晶態(tài)物質(zhì)的物相分析。晶態(tài)物質(zhì)組成元素或基團(tuán)如不相同或其結(jié)構(gòu)有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數(shù)目、角度位置、相對(duì)強(qiáng)度次序以至衍射峰的形狀上就顯現(xiàn)出差異。

在X射線衍射儀的世界里， X射線發(fā)生系統(tǒng)（產(chǎn)生X射線）是“太陽(yáng)”，測(cè)角及探測(cè)系統(tǒng)（測(cè)量2θ和獲得衍射信息）是其“眼睛”，記錄和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是其“大腦”，三者協(xié)同工作，輸出衍射圖譜。在三者中測(cè)角儀是核心部件，其制作較為復(fù)雜，直接影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。下面是X射線衍射儀和測(cè)角儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。



2、X射線產(chǎn)生原理
 

X射線同無(wú)線電波、可見(jiàn)光、紫外線等一樣,本質(zhì)上都屬于電磁波,只是彼此之間占據(jù)不同的波長(zhǎng)范圍而已。

X射線的波長(zhǎng)較短,大約在10-8～10-10cm之間。X射線分析儀器上通常使用的X射線源是X射線管,這是一種裝有陰陽(yáng)極的真空封閉管（見(jiàn)圖1）,在管子兩極間加上高電壓,陰極就會(huì)發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽(yáng)極靶,從而產(chǎn)生X射線。當(dāng)X射線照射到晶體物質(zhì)上,由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成,這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí),故由不同原子散射的X射線相互干涉,在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射,衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度,與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)不同的晶體物質(zhì)具有自己獨(dú)特的衍射樣,這就是X射線衍射的基本原理。

當(dāng)一個(gè)外來(lái)電子將K層的一個(gè)電子擊出成為自由電子（二次電子），這是原子就處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。此時(shí)位于外層較高能量的L層電子可以躍遷到K層。能量差ΔE=EL-EK=hν將以X射線的形式放射出去，其波長(zhǎng)λ＝h/ΔE必然是個(gè)僅僅取決于原子序數(shù)的常數(shù)。這種由L→K的躍遷產(chǎn)生的X射線我們稱為Kα輻射，同理還有Kβ輻射，Kγ輻射。不過(guò)應(yīng)當(dāng)知道離開(kāi)原子核越遠(yuǎn)的軌道產(chǎn)生躍遷的幾率越小，所以高次輻射的強(qiáng)度也將越來(lái)越小。

3、X射線衍射儀的工作原理

 

x射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子面之間的間距相近，晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即一束X射線照射到物體上時(shí)，受到物體中原子的散射，每個(gè)原子都產(chǎn)生散射波，這些波互相干涉，結(jié)果就產(chǎn)生衍射。衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析衍射結(jié)果，便可獲得晶體結(jié)構(gòu)。

以上是1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出的一個(gè)重要科學(xué)預(yù)見(jiàn)，隨即被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。1913年，英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg，W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功的測(cè)定了NaCl，KCl等晶體結(jié)構(gòu)，還提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的公式——Bragg方程：2dsinθ=nλ（d為面間距，θ為衍射角）

對(duì)于晶體材料，當(dāng)待測(cè)晶體與入射束呈不同角度時(shí)，那些滿足布拉格衍射的晶面就會(huì)被檢測(cè)出來(lái)，體現(xiàn)在XRD圖譜上就是具有不同的衍射強(qiáng)度的衍射峰。對(duì)于非晶體材料，由于其結(jié)構(gòu)不存在晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的長(zhǎng)程有序，只是在幾個(gè)原子范圍內(nèi)存在著短程有序，故非晶體材料的XRD圖譜為一些漫散射饅頭峰。

4、X射線衍射儀應(yīng)用

常規(guī)XRD對(duì)晶態(tài)材料物相定性與定量分析 確定材料的晶系、結(jié)晶化與畸變程度 晶態(tài)材料、二次電池元器件進(jìn)行原位高低溫、充放電、特殊氣氛等條件下的晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試及分析。