X射线衍射技术及其在材料表征实验的研究综述

王存勇　曹丽　茆思聪　尚凤娇　周智涛　王峰

摘 要：X射线衍射技术是一种不损害材料、无污染、精确测量并能得到样品完整结构信息的测量技术，在材料研究的众多领域得以应用。该文主要介绍了X射线衍射的产生及其工作原理，从物相分析、应力测量、晶粒尺寸和结晶度测量等方面概述了该技术在材料结构表征中的应用。

关键词：X射线衍射 物相分析 应力 结晶度

中图分类号：TB302 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0020-01

自从伦琴发现了X射线，随后X射线被用于表征晶体的结构和物质的物相。当X射线通过某种物质时，会产生不同的衍射花样，该衍射花样可用于表征物质的晶体结构。随着现代科学技术的发展，X射线衍射技术的不断进步，在材料探测方面取得了重要进展，X射线衍射技术可以对晶体、非晶体、人工器件和生物有机体等材料的结构进行分析和表征，该技术为材料科学的发展提供了一种重要的结构表征手段。

1 X射线衍射基本原理

X射线是一种波长较短的电磁波，波长在10-10～10-12 m之间，X射线一般由X射线光管产生，在一根封闭的真空管中，在管子的阴极和阳极施加一个高电压，从阴极发射出的电子流在高压作用下被加速，高速电子流轰击阳极金属靶产生X射线。当一束单色的X射线照射到晶体上时，由于晶体物质是由规则排列的原子构成，规则排列的原子间的距离与X射线波长相当，经不同原子散射的X射线相互干涉，X射线在某些特殊方向上被加强，衍射线方位和强度的空间分布与晶体结构密切相关，不同晶体结构的物质具有各自独特的衍射花样，这就是X射线衍射的基本原理[1]。

1913年，英国物理学家布拉格父子提出了可以反映衍射空间方位和晶体内部结构关系的布拉格方程：

（1）

式中d为晶体的晶面间距，n为任意正整数，θ为掠射角，λ为X射线波长。

2 X射线衍射技术在材料分析中的应用

2.1 物相分析

任何一种晶体都有自己特定的点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子的位置和数目等结构参数，这些特定的结构与X射线的衍射角θ和衍射强度I存在某种对应关系。因此，当X射线在晶体中发生衍射时，不同的晶体对应不同的衍射花样，不存在衍射花样完全相同的两种物质。对于自然界中存在的结晶物质，在一定的规范的测试条件下，对所有物质进行X射线衍射测试，得到所有物质的标准X射线衍射花样（即I-2θ曲线），各种已知晶体的X射线衍射花样的收集、校订、编辑和出版工作是由“粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）”负责，每一种晶体的X射线衍射花样被制成一张卡片，称为粉末衍射卡（简称PDF卡），X射线物相分析就是利用PDF卡片进行物相检索和分析的。要对某种未知样品进行物相分析时，首先利用X射线衍射仪测试出该样品的X射线衍射花样，然后将实验测试X射线衍射花样与数据库中标准的X射线衍射花样进行对比，如果该样品是一种单相物质，通过对比可以直接确定该样品的物相；如果该样品是由多种晶体构成，则可以在所测重叠的衍射花样中将各种晶体的衍射花样逐一剥离出来，从而确定出该样品的物相构成。

2.2 应力的测定

薄膜的性能与其化学成分、微结构、表形貌及残余应力等多种因素密切相关。研究表明，残余应力对薄膜的电磁学和力学性能及其使用寿命都有重要影响。准确测量薄膜的残余应力是薄膜应用的基础，在科学和技术方面具有重要的意义。薄膜残余应力的测试方法主要包括中子衍射法、拉曼光谱法、压痕法、曲率法和X射线衍射法等。与其他方法相比，X射线衍射技术因其具有非破坏性、可测局部应力、可测表面应力、可区分应力类型、测量时无需使材料处于无应力状态等优点而成为一种比较理想的残余应力测试手段。于国建等[2]采用X射线衍射技术测试了金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术外延生长的GaN薄膜的应力情况，结果表明，GaN薄膜中存在压应力。

2.3 材料粒径的表征

纳米材料的性能与其粒径的尺寸密切相关。由于纳米材料颗粒尺寸较小，极易发生团聚，若采用粒度分析仪测试纳米材料的颗粒尺寸，得到的结果与其实际的颗粒尺寸差距较大。利用X射线衍射花样，根据谢乐公式可以测定纳米材料的平均颗粒尺寸。杨景景等[3]利用谢乐公式计算出溶胶-凝胶法制备Co掺杂ZnO薄膜的平均晶粒尺寸，并研究Co掺杂量对ZnO薄膜晶粒尺寸的影响。

2.4 结晶度的测定

结晶度是影响材料性能的重要参数。在一些情况下，物质结晶相和非晶相的衍射图谱往往会重叠。结晶度的测定主要是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积的比，在测定时必须把晶相、非晶相及背景不相干散射分离开来。范雄等[4]利用X射线衍射仪测试了不同退火时间处理的聚丙烯的X射线衍射花样，并采用函数分峰法计算出样品中非晶峰和结晶峰比例关系，计算出不同退火处理条件下聚丙烯的结晶度，找出聚丙烯结晶度随退火时间的变化规律。

3 结语

X射线衍射技术已经渗透到物理、化学和材料科学等诸多领域，成为一种重要测试和分析方法。该文主要介绍了X射线衍射的基本原理以及X射线衍射技术在材料物相分析、应力测量、晶粒尺寸分析和结晶度计算等方面的应用。

参考文献

[1] 范雄.金属X射线衍射学[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2] 于国建，徐明升，胡小波，等.SiC衬底上生长的GaN外延层的高分辨X射线衍射分析[J].人工晶体学报，2014，43（5）：1017-1022.

[3] 杨景景，方庆清，王保明，等.Co掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响[J].物理学报，2007，56（2）：1116-1120.

[4] 范雄，源可珊.高聚物结晶度的X射线衍射测定[J].理化检验：物理分册，1998， 34（12）：17-19.