作為結構研究的一種重要方法，XRD在材料研究中具有非常重要的應用。

X射線衍射(X-RayDiffraction)利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來獲得衍射后X射線信號特征，經過處理得到衍射圖譜。通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態(tài)等信息的研究手段。


1、X射線衍射儀的基本構造
 

XRD特別適用于晶態(tài)物質的物相分析。晶態(tài)物質組成元素或基團如不相同或其結構有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數目、角度位置、相對強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)（產生X射線）是“太陽”，測角及探測系統(tǒng)（測量2θ和獲得衍射信息）是其“眼睛”，記錄和數據處理系統(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。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射線同無線電波、可見光、紫外線等一樣,本質上都屬于電磁波,只是彼此之間占據不同的波長范圍而已。

X射線的波長較短,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,這是一種裝有陰陽極的真空封閉管（見圖1）,在管子兩極間加上高電壓,陰極就會發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽極靶,從而產生X射線。當X射線照射到晶體物質上,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射線波長有相同數量級,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生強X射線衍射,衍射線在空間分布的方位和強度,與晶體結構密切相關不同的晶體物質具有自己獨特的衍射樣,這就是X射線衍射的基本原理。

當一個外來電子將K層的一個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)過渡。此時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λ＝h/ΔE必然是個僅僅取決于原子序數的常數。這種由L→K的躍遷產生的X射線我們稱為Kα輻射，同理還有Kβ輻射，Kγ輻射。不過應當知道離開原子核越遠的軌道產生躍遷的幾率越小，所以高次輻射的強度也將越來越小。

3、X射線衍射儀的工作原理

 

x射線的波長和晶體內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，受到物體中原子的散射，每個原子都產生散射波，這些波互相干涉，結果就產生衍射。衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析衍射結果，便可獲得晶體結構。

以上是1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出的一個重要科學預見，隨即被實驗所證實。1913年，英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg，W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎上，不僅成功的測定了NaCl，KCl等晶體結構，還提出了作為晶體衍射基礎的公式——Bragg方程：2dsinθ=nλ（d為面間距，θ為衍射角）

對于晶體材料，當待測晶體與入射束呈不同角度時，那些滿足布拉格衍射的晶面就會被檢測出來，體現(xiàn)在XRD圖譜上就是具有不同的衍射強度的衍射峰。對于非晶體材料，由于其結構不存在晶體結構中原子排列的長程有序，只是在幾個原子范圍內存在著短程有序，故非晶體材料的XRD圖譜為一些漫散射饅頭峰。

4、X射線衍射儀應用

常規(guī)XRD對晶態(tài)材料物相定性與定量分析 確定材料的晶系、結晶化與畸變程度 晶態(tài)材料、二次電池元器件進行原位高低溫、充放電、特殊氣氛等條件下的晶體結構測試及分析。