XRD即X-Ray Diffraction（X射線衍射）的縮寫。X射線衍射是一種通過(guò)儀器進(jìn)行檢測(cè)的光學(xué)分析法，將單色X射線照到粉晶樣品上，若其中一個(gè)晶粒的一組面網(wǎng)取向和入射X射線夾角為θ時(shí)，滿足衍射條件，則在衍射角2θ處產(chǎn)生衍射。樣品中有多個(gè)晶粒并滿足衍射。通過(guò)使用粉晶衍射儀的探測(cè)器以一定的角度繞樣品旋轉(zhuǎn)，接收到粉晶中不同網(wǎng)面、不同取向的全部衍射線，獲得相應(yīng)的衍射圖譜。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，但存在靈敏度較低，所需樣品含量大于1%，分析樣量一般需要幾十至幾百毫米，不能分析非晶樣品等問(wèn)題。
一． X射線
X射線是一種波長(zhǎng)很短（約為10^-8~10^-12米），介于紫外線和伽馬射線之間的電磁輻射。由德國(guó)物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)。X射線能夠穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相膠乳感光、氣體電離。
1.1 X射線的產(chǎn)生
當(dāng)用一個(gè)高能量的粒子（電子、質(zhì)子等）轟擊某物質(zhì)時(shí)，若該物質(zhì)的原子內(nèi)層電子被轟擊出電子層，便形成空穴，此空穴會(huì)立即被較高能級(jí)電子層上的電子填充，于是會(huì)伴隨發(fā)射波長(zhǎng)不等的X射線。被轟擊的物質(zhì)不同，X射線的波長(zhǎng)也不同。
1.2 產(chǎn)生X射線的裝置
l X射線管
 
在真空陰極和陽(yáng)極之間加高壓。陰極由鎢絲制成，可發(fā)射電子。發(fā)射電子經(jīng)高壓加速轟擊陽(yáng)極（靶極），將陽(yáng)極金屬內(nèi)層電子撞出。外層電子躍遷，即釋放出X射線。
l 同步輻射X射線源
需要用強(qiáng)度特別高的X射線源時(shí)，常應(yīng)用同步輻射X射線源。在電子同步加速器或電子儲(chǔ)存環(huán)中，高能電子在強(qiáng)大的磁偏轉(zhuǎn)力的作用下做軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)射出一種極強(qiáng)的光輻射，稱為同步輻射，它的頻譜范圍包括從紅外區(qū)域直到硬X射線的各個(gè)頻段，其中有0.01~40nm之間的連續(xù)的各個(gè)波長(zhǎng)的X射線。同步輻射源強(qiáng)度高，發(fā)散度小，穩(wěn)定性好。
1.3 X射線譜
由X射線裝置發(fā)射出來(lái)的X射線一般包括兩個(gè)部分：一部分是具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，稱為連續(xù)譜；另一部分是由陽(yáng)極金屬材料成分決定的波長(zhǎng)確定的特征X射線，稱為特征譜。X射線物相分析及結(jié)構(gòu)分析主要用Kα作為單色X射線源，其他譜線應(yīng)除去。
二． XRD基本原理
2.1 X射線與物質(zhì)的相互作用
 
2.2 布拉格方程
 
布拉格方程：nλ=2dsinθ（λ為X射線波長(zhǎng)，n為衍射級(jí)數(shù)，d為晶面間距，θ為衍射半角。）當(dāng)單色X射線照在粉晶樣品上，若其中一個(gè)晶粒的一組網(wǎng)面（hkl）取向和入射X射線夾角為θ，滿足衍射條件，則在衍射角2θ（衍射線與入射X射線的延長(zhǎng)線的夾角）處產(chǎn)生衍射。由于晶粒的取向機(jī)遇，與入射線夾角為2θ的衍射線不止一條，而是頂角為2θ*2的衍射圓錐面，晶體中有許多組面網(wǎng)，其衍射線相應(yīng)形成許多以樣品為中心、入射線為軸、張角不同的衍射圓錐面，即德拜環(huán)。如果使粉晶衍射儀的探測(cè)器儀一定的角度繞樣品旋轉(zhuǎn)，則可接收到粉晶中不同面網(wǎng)、不同取向的全部衍射線，獲得相應(yīng)的衍射譜線。
三． XRD法
（1） 勞埃法
用連續(xù)X射線照射單晶體試樣。每一衍射面只衍射入射線中能滿足布拉格條件的特定波長(zhǎng)。勞埃法可測(cè)量晶體的位向，評(píng)定晶體的完整性。
（2） 轉(zhuǎn)晶法
采用單色X射線，試樣是單晶體。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，晶體繞所選定的晶軸或晶向轉(zhuǎn)動(dòng)。此法主要用于測(cè)量未知晶體結(jié)構(gòu)。
（3） 粉末法
采用單色X射線和多晶體試樣。即利用晶粒的不同位向來(lái)改變?chǔ)龋詽M足布拉格方程的要求，其應(yīng)用最廣泛。
四． XRD的構(gòu)造
由X射線源、樣品及樣品位置取向的調(diào)整機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)、衍射方向和強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)、衍射圖的處理分析系統(tǒng)四個(gè)部分組成，如下圖所示。
 
X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)圖
對(duì)于多晶X射線衍射儀，主要由X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、X射線探測(cè)器、X射線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各種電氣系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)組成。
五． XRD樣品制備
XRD試樣的制備應(yīng)考慮晶粒大小、試樣的大小及厚度、擇優(yōu)取向、加工應(yīng)變和表面平整度。
（1） 粉末樣品的制備
一般要求粉末樣品的顆粒度大小在0.1~10μm范圍。將樣品研磨成適合衍射實(shí)驗(yàn)用的粉末，再把樣品粉末制成有一個(gè)十分平整平面的試片。
（2） 薄膜樣品的制備
在薄膜樣品制備時(shí)，要求樣品具備比較大的面積，薄膜比較平整以及表面粗糙度要小。對(duì)于薄膜樣品，可將其鋸成與窗孔大小一致，然后用橡皮泥直接將其固定在窗孔內(nèi)，應(yīng)注意將固定在窗孔內(nèi)的樣品表面與樣品板齊平。
（3） 特殊樣品
分散在膠帶紙上黏結(jié)，形成石蠟糊，或鋸成與窗孔大小一致，用石蠟固定在窗孔內(nèi)。
六． XRD的應(yīng)用
 
6.1 物相定性分析
目的：確定物質(zhì)（材料）由哪些相組成。
原理：物質(zhì)和衍射花樣一一對(duì)應(yīng)，且各物質(zhì)的衍射花樣互不影響。制備各種標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣并規(guī)范化，將待分析物質(zhì)（樣品）的衍射花樣與之對(duì)照，從而確定物質(zhì)的組成相。
步驟：制備待分析物質(zhì)樣品→用衍射儀法或照相法獲得樣品衍射花樣→檢索PDF卡片→核對(duì)PDF卡片與物相判定。多相物質(zhì)分析采用三強(qiáng)線法，反復(fù)嘗試，檢驗(yàn)。
6.2 相定量分析
目的：確定各組成相的相對(duì)含量。
原理：混合物中某物相所產(chǎn)生的衍射線強(qiáng)度與其在混合物中的含量是成正比的。
方法：內(nèi)標(biāo)法，外標(biāo)法，K值法。
6.3點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定
 
6.4 宏觀應(yīng)力分析
 
6.5 晶粒度測(cè)定
利用X射線衍射寬度法測(cè)量，應(yīng)用謝樂(lè)公式β=λ（式中β為衍射線的半高寬（弧度）；L為晶粒在反射晶面法線方向上的尺度；K為常數(shù)，一般可近似取為1），可求得晶粒度。
6.6 單晶取向的測(cè)定
單晶取向的測(cè)定就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標(biāo)系的位向關(guān)系。一般用勞厄法單晶定向，其根據(jù)是底片上勞厄斑點(diǎn)轉(zhuǎn)換的極射面投影與樣品外坐標(biāo)軸的極射赤面投影之間的位置關(guān)系。