探索物质微观世界的奥秘：X 射线衍射（XRD）测试（上）

X 射线衍射（X-ray Diffraction，简称 XRD）技术作为一种强大的分析工具，在材料科学、地质学、化学、物理学以及生物医学等多个领域发挥着不可替代的作用。

X 射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质（晶体或非晶体）进行衍射分析时，该物质被 X 射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等物质特性决定该物质产生特有的衍射图谱。

XRD 技术具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此，XRD 作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法，已在各学科的研究和生产中广泛应用。

当一束单色 X 射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射 X 射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的 X 射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强 X 射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。

根据其原理，某晶体的衍射花样主要有两个特征：衍射线在空间的分布规律和衍射线束的强度。其中，衍射线的分布规律由晶胞大小，形状和位向决定，衍射线强度则取决于原子的品种和它们在晶胞的位置。因此，不同晶体具备不同的衍射图谱。

布拉格方程：两个波的波程差为 2dsinθ，当波程差为波长的整数倍时，即 2dsinθ=nλ（n=0，1，2，3…，θ 为入射角、d 为晶面间距、n 为衍射级数、λ 为入射线波长，2θ 为衍射角）时，散射波位相相同，相互加强。

凡是满足布拉格定律的散射波位相都完全相同，其振幅互相加强，从而在与入射线成 2θ 角的方向上就会出现衍射线。而在其它方向上的散射线的振幅互相抵消，X 射线的强度减弱或者等于零。

布拉格方程简明扼要地给出了 X 射线的衍射方向。即当入射 X 射线与晶体中的某个晶面之间的夹角满足布拉格方程时，在其反射线的方向上就会产生衍射线，反之不可。

系统消光规律：

X 射线衍射仪包括：

（1）X 射线发生系统——提供测量所需的 X 射线，改变 X 射线管阳极靶材质可改变 X 射线的波长，调节阳极电压可控制 X 射线源的强度；

（2）测角及探测系统——检测衍射强度或同时检测衍射方向，通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据；

（3）样品及样品位置取向的调整机构系统——样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块；

（4）记录和数据处理系统——现代 X 射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统，它们的特点是自动化和智能化。

三者协同工作输出衍射图谱。其中测角仪是核心部件，其制作较为复杂，直接影响实验数据的精度。

物相分析     

物相分析是 X 射线衍射在金属中用得最多的方面，分为定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

结晶度的测定     

结晶度定义为结晶部分重量与总的试样重量之比的百分数。非晶态合金应用非常广泛，如软磁材料等，而结晶度直接影响材料的性能，因此结晶度的测定就显得尤为重要。根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积测定结晶度。

                                                               精密测定点阵参数 

精密测定点阵参数常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化，这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。

纳米材料粒径的表征   

纳米材料的颗粒度与其性能密切相关。纳米材料由于颗粒细小，极易形成团粒，采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。采用X射线衍射线线宽法（谢乐法）可以测定纳米粒子的平均粒径。

                                                                晶体取向的测定

晶体取向的测定又称为单晶定向，就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向，但 X 衍射法不仅可以精确地单晶定向，同时还能得到晶体内部微观结构的信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系。透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品，背射劳埃法就无需特别制备样品，样品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法。

                                                                   应力测试     

宏观应力是指构件中存在相当大的范围内均匀分布着的内应力。宏观应力对材料的使用有很大关系：负面影响（如海水应力腐蚀等）；正面影响（如压应力可提高疲劳寿命等）

只要应力存在就会有应变，就会导致晶面间距的变化；X 光可很好地测量面间距地变化，因此可以利用其测应力。

1. 图谱对比法：比较待测样品和已知物相的谱图，该方法可直观简单的对物相进行鉴定，但相互比较的谱图应在相同的实验条件下获取，该法比较适合于常见相及可推测相的分析。

2. 数据对比法：将实测数据（2θ、d、I/I1）与标准衍射数据比较，可对物相进行鉴定。

3. 计算机自动检索鉴定法：建立标准物相衍射数据的数据库（PDF 卡片），将样品的实测数据输入计算机，由计算机按相应的程序进行检索，主要的分析软件有 JADE、Search Match 等。

分析实例：

下图为 ZnO 纳米片负载不同含量的金纳米粒子的 XRD 图谱。相比于纯 ZnO，随着负载量的依次增加，杂化材料出现了明显的 Au（JCPDS No.04-0784）的特征衍射峰，因此认为 Au 成功负载于 ZnO 表面。