什么是X射線衍射技術(shù)，原理是什么，怎么來(lái)的，或者叫怎么發(fā)現(xiàn)的，能干什么用，怎么用，用的時(shí)候有什么注意點(diǎn)。
1. 什么是X射線衍射技術(shù)XRD？
利用X射線衍射技術(shù)分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。實(shí)際里利用了X射線也是一種波，利用的波的性質(zhì)分析物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，類似之前學(xué)過(guò)的聲波，或者后來(lái)的光波，用的是波在遇到狹縫寬度和波本身的波長(zhǎng)相近時(shí)會(huì)發(fā)生衍射的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象的原理和背后的機(jī)理恰恰是可以分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的。
2. XRD原理是什么？
當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，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)。
上圖中的dsin（theta）就是入射光和反射光的光程差。這個(gè)光程差2dsin(theta)如果滿足關(guān)系式2dsin(theta)=nλ,n=整數(shù)，入射光和反射光就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，出現(xiàn)波峰和波谷，而這種衍射現(xiàn)象的波峰波谷恰恰反映了晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3. 怎么來(lái)的，怎么發(fā)現(xiàn)的？
這個(gè)問(wèn)題從查到的資料來(lái)看，可以說(shuō)是科學(xué)家深厚的理論知識(shí)積累的結(jié)果。首先是有兩點(diǎn)作為前提：
1）晶體是周期性排列的原子結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)是周期性的晶面間距排列。
2）這種周期性排列的晶面間距和X射線的波長(zhǎng)相近。
1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M. von Laue)基于上述的前提條件，提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束 X射線通過(guò)晶體時(shí)將發(fā)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。這個(gè)周期排列的原子結(jié)構(gòu)可以成為X射線衍射的“衍射光柵”，X射線也是一種波，既然是波，就會(huì)在前面兩條都成立的情形下，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。
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)，不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格方程：2dsinθ=nλ
式中d為晶面間距；n為反射級(jí)數(shù)；θ為掠射角；λ為X射線的波長(zhǎng)。布拉格方程是X射線衍射分析的根本依據(jù)。
4. 能干什么用？怎么想到用來(lái)干這個(gè)的？
上面提到，原子周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給我們提供了認(rèn)識(shí)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。每種晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不同的 ，而他們特有的周期性結(jié)構(gòu)在X射線下也將顯現(xiàn)出不一樣的衍射條紋。這些衍射花紋就像晶體的指紋一樣，通過(guò)鑒別衍射花紋的在空間上出現(xiàn)的位置和強(qiáng)度，即可在X射線衍射和晶體結(jié)構(gòu)之間建立定性和定量關(guān)系。
有哪些定性和定量關(guān)系的用途呢？
1）物相定性；（2）確定晶胞參數(shù)；（3）晶體取向度分析；（4）晶粒尺寸計(jì)算；（5）物相定量計(jì)算。下面我們結(jié)合實(shí)際案例對(duì)這些應(yīng)用逐一進(jìn)行詳解。
5. 怎么用？用的時(shí)候有什么注意點(diǎn)？采集的數(shù)據(jù)怎么分析？
我用過(guò)的XRD衍射儀得到的結(jié)果是衍射角度同衍射強(qiáng)度的曲線。在曲線上主要是分析峰位和峰強(qiáng)以及半峰寬。
峰位：對(duì)照峰位的PDF卡，可以識(shí)別采集的峰位對(duì)應(yīng)的是晶體的什么晶面。
峰位的變化是左移或者右移，左移和右移指的是衍射角度的左移和右移，或者叫衍射角度的變大和變小更容易理解，下面還是用峰位對(duì)應(yīng)的衍射角度相比于XRD的圖卡的衍射角變大，變小。
衍射角變化可以從布拉格方程上分析，衍射角度變化對(duì)應(yīng)了晶面間距的變化，也可以叫原子間距的變化。原子間距的變化的原因，仔細(xì)想想，好像不用多高深的物理知識(shí)就可以大概想到幾個(gè)原因：
1) 內(nèi)部多了或者少了原子；
2) 受到了外力或者內(nèi)部有應(yīng)力產(chǎn)生，導(dǎo)致了材料的膨脹和壓縮；
衍射角變大的原因：元素?fù)诫s；缺陷形成；相變；應(yīng)力/應(yīng)變；氧化；
衍射角變小的原因：元素?fù)诫s；間隙原子；固溶體形成；應(yīng)力/應(yīng)變；金屬氧化物被還原；熱膨脹；
峰強(qiáng)是相對(duì)值，相對(duì)于參考樣品的峰強(qiáng)的變化是變大了，還是變?nèi)酢?/p>
峰強(qiáng)變強(qiáng)：說(shuō)明了結(jié)晶質(zhì)量提高。為什么結(jié)晶質(zhì)量提高峰強(qiáng)就會(huì)增加呢，因?yàn)榻Y(jié)晶質(zhì)量提高是比較籠統(tǒng)的說(shuō)法，宏觀的說(shuō)法，微觀的角度是原子排列結(jié)構(gòu)即長(zhǎng)程有序提高了，導(dǎo)致了衍射現(xiàn)象更明顯了。如果只在某一位置增強(qiáng)，其他位置的峰沒有增強(qiáng)或者增加的很小，說(shuō)明這種變化是擇優(yōu)特點(diǎn)的。什么是擇優(yōu)呢？繼續(xù)說(shuō)一下，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在這個(gè)位置粒子會(huì)優(yōu)先增長(zhǎng)，再深入的問(wèn)：為什么會(huì)在這個(gè)位置擇優(yōu)呢？需要查資料了解了，我的猜測(cè)是和這個(gè)位置的粒子間結(jié)合的能量有關(guān)系，也就是粒子從X射線獲得的能量使得粒子更容易在這個(gè)位置結(jié)合到一起。
峰強(qiáng)變?nèi)酰航Y(jié)晶質(zhì)量變差了，原因可以參考峰強(qiáng)變強(qiáng)的反向理解。
半峰寬相對(duì)于參考樣品的變化，有變寬和變窄，其原因是：
變寬的原因是：或者變寬能說(shuō)明的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，
晶粒尺寸減?。粌?nèi)部應(yīng)力引起的應(yīng)變或者晶格畸變；晶體缺陷或者晶體非晶化；
布拉格方程：計(jì)算晶面間距。
晶面間距的變化：說(shuō)明內(nèi)部有應(yīng)變或者有其他材料的原子進(jìn)入。
謝樂(lè)公式：計(jì)算晶粒尺寸。
晶粒尺寸的變化通常說(shuō)明的是晶體生長(zhǎng)、缺陷分布、內(nèi)部應(yīng)力或者外部條件的變化。
