说明：XRD作为材料制备中的“基础款”表征，可以在不损伤材料的前提下了解材料的“晶体身份信息”。本文华算科技就XRD的工作原理、核心功能、图谱绘制等内容带你详细了解这一“晶体指纹鉴定技术”。
什么是XRD？
XRD（X-ray Diffraction，X射线衍射）是指利用X射线的波动性，照射到物质的晶体或非晶体结构上，通过检测衍射光束的强度、角度分布，反推物质内部原子排列规律及宏观结构特征的分析方法。
XRD是材料科学、化学、地质等领域核心的表征技术之一，通过分析X射线与物质原子的相互作用，获取材料的晶体结构、物相组成、晶粒尺寸等关键信息，因此XRD被誉为晶体材料的“指纹鉴定技术”。
XRD的工作原理是什么？
XRD的原理核心是X射线的相干散射与晶体的周期性原子排列共同作用产生的“衍射现象”，其定量关系由“布拉格定律（Bragg’s Law）”描述，这一定律是描述XRD工作原理的核心定律。
测试：当X射线（波长极短（0.01-10 nm）的电磁波）照射到晶体时，会和晶体中原子的核外电子相互作用导致电子振动，发射与入射X射线波长相同的“散射X射线”（相干散射）。
转换：1913年，英国物理学家布拉格父子（W.H. Bragg & W.L. Bragg）通过实验总结出：只有当X射线的入射角度、波长与晶体中原子面间距满足特定关系时，才会产生可检测的衍射峰，即“布拉格定律“：2dsinθ=nλ。
式中，d是指晶面间距（nm），即晶体中相邻两个平行原子面（晶面）之间的垂直距离，反映晶体点阵的周期性；θ是指布拉格角（°），即X射线入射方向与晶面夹角；n是指衍射级数，即相长干涉的级数，取正整数（n=1,2,3…，通常 n=1 时衍射强度最强，是主要检测对象）；λ是指X射线波长（nm），即入射X射线的固定波长。
匹配：晶面间距d由不同晶体的原子排列方式唯一决定，因此可以通过布拉格定律确定不同晶面所对应的”2θ角“，将测得的2θ与标准数据库（如JCPDS PDF卡片库）对比，即可确定样品的物相组成。
XRD能了解哪些信息？
是什么？这是XRD最基础、最常用的功能—通过对比样品衍射图谱与标准图谱，确定样品中包含的晶体物相种类（排除非晶相）。
有多少？在定性分析基础上，通过测量衍射峰的积分强度（峰面积），计算样品中各晶体物相的相对含量（或绝对含量）。
怎么排？通过解析衍射峰的位置、强度、分裂情况，获取晶体的点阵类型（如立方、六方）、晶格常数（a、b、c、α、β、γ）、原子坐标等详细结构信息。
晶粒有多大？当晶体的晶粒尺寸＜100nm时，衍射峰会发生“宽化”，且晶粒越小，峰的宽化越明显。此时通过“谢乐公式（Scherrer Equation）”就可以计算晶粒的平均尺寸。
谢乐公式：D=Kλ/βcosθ。D：晶粒平均尺寸（nm）；K：形状因子（通常取0.98，球形晶粒）；β：衍射峰的半宽高（rad）；λ：X射线波长（nm）；θ ：布拉格角（rad）
结晶度如何？在晶体中，结晶度是指晶体部分的质量分数，这一数值可通过计算“晶体衍射峰总面积”与“总散射面积”的比值得到。
测试前需要确认的信息有哪些？
1、样品是什么？要多少？需要做哪些前处理？
首先，XRD可以测固体（粉末/块状/薄膜/纤维）、液体（需特殊样品台）样品，在测试前，需要明确的样品的主要成分和稳定性，避免在测试过程中发生氧化、分解等反应影响最终的测试结果。
粉末样品需要准备至少20mg，且过200目筛确保粒度均匀，手摸无颗粒感，面粉质感。块状样品的尺寸要求为长宽1-2cm（一般不小于1cm），厚度不超过15mm，且需要注明测试面，测试面需要平整光洁。
2、要测什么？想获取哪些信息？
在测试前可以查阅相关的参考文献明确自己的测试目标，如对样品是定性还是定量分析？是否需要计算结晶度？是否要分析晶体尺寸或者晶格应变?只有明确了测试目的，才能确定后面的测试参数，从而获得准确的测试结果。
3、选择哪种靶材？测试参数是多少？
常规XRD测试中会提供铜靶和钴靶，其中铜靶的波长接近铁（Fe，吸收边λ=1.74 Å）、钴（Co，1.60 Å）、镍（Ni，1.49 Å）等过渡金属的吸收边——若样品含Fe、Co、Ni（如不锈钢、铸铁、钴基合金），Cu Kα 会被强烈吸收，导致衍射峰强度极低、样品发热、背景噪声高等。
而钴靶的波长远离 Fe、Co、Ni 的吸收边，且接近铜（Cu，吸收边 λ=1.38 Å）、锌（Zn，1.29 Å） 的吸收边——对含Fe、Co、Ni的样品（如不锈钢、铁氧体、钴基高温合金）吸收弱，可有效避免荧光干扰，衍射峰强度高、背景干净。
简单来说，铜靶是“通用型“靶材，适用于绝大多数非铁系样品；钴靶是“专用型”靶材，核心解决铁系样品的吸收问题，并提供更高的衍射分辨率。但是如果不需要分析样品精细结构的话，一般的铜靶都能满足测试需求。
拿到的数据该怎么看？
检查数据质量：
横坐标对应着2θ 角，常规的扫描范围为5-90°，小角的扫描范围为1-10°，在拿到数据后需要检查横坐标的起始值是否在自己要求的扫描范围内；纵坐标为衍射强度，通过观察主峰的强度是否高于背景噪音确认数据质量。
定性、定量分析
选择强度排名前5~10的峰（避免弱峰，误差大），记录精确的2θ值，代入布拉格方程中即可计算出每个2θ对应的d值（晶面间距），将得到的d值与标准卡片匹配就能对样品进行定性分析，同时对纵坐标强度进行积分就能对样品进行定量分析。
确认晶粒尺寸和晶格应变
上面提到，当晶体的晶粒尺寸＜100nm时，衍射峰会发生“宽化”，且晶粒越小，峰的宽化越明显；因此将测得的数据带入谢乐公式就能算出所对应的晶粒平均尺寸。
若峰宽化且伴随“峰不对称”（如峰的低2θ侧宽，高2θ侧窄），可能是发生了“晶格应变”（晶体内部原子排列错位导致的应力）；需用“Williamson-Hall 法”区分“晶粒尺寸宽化”和“应变宽化”：通过多个衍射峰的βcosθ与sinθ作图，斜率对应应变，截距对应晶粒尺寸。
怎么画XRD图？
1、首先将数据复制粘贴在记事本中，另存为.raw格式的文件：
2、在Jade中打开保存好的raw文件：
3、右击Jade中的“S/M”图标，选择自己样品中的主要元素寻找标准卡片：
4、将衍射峰的位置与标准卡片进行匹配：
5、保存匹配好的卡片：
6、接着Origin中导入.txt文件和标准卡片，X轴为2θ 角，Y轴为衍射强度：
7、选中X、Y轴两列数据，选择折线图：
8、双击图层1，在新建图层中选择右Y轴，导入PDF卡片中I（f）栏的数据，绘图类型选择“折线图”：
9、得到如图所示的折线图：
10、双击所画的折线图，将线条宽度改为0，勾选垂直线，宽度选择“3”：
11、选择确定后得到如图所示的图像：
12、按照要求美化后得到如图所示的XRD图：
这样就完成了文献中XRD图谱的绘制工作。
总结
XRD从基础的物相鉴定、结晶度分析，到进阶的晶格应力计算、原位相变追踪，贯穿科研研发与工业质检全流程，至今仍是晶体材料结构解析的“性价比之王“。
未来XRD技术将向“更高精度、更宽场景、更智能化”方向突破：一方面，同步辐射光源与高分辨探测器的结合，将推动其在纳米晶、低结晶度材料等领域的检出极限，实现原子级晶格应变的精准测量；另一方面，原位XRD技术（如原位高温、高压、电化学）将更深入揭示材料动态结构演变，为储能、催化等功能材料的性能优化提供直接依据。
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