X射線衍射技術及其在材料表征實驗的研究綜述

王存勇　曹麗　茆思聰　尚鳳嬌　周智濤　王峰

摘 要：X射線衍射技術是一種不損害材料、無污染、精確測量并能得到樣品完整結構信息的測量技術，在材料研究的眾多領域得以應用。該文主要介紹了X射線衍射的產生及其工作原理，從物相分析、應力測量、晶粒尺寸和結晶度測量等方面概述了該技術在材料結構表征中的應用。

關鍵詞：X射線衍射 物相分析 應力 結晶度

中圖分類號：TB302 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0020-01

自從倫琴發現了X射線，隨后X射線被用于表征晶體的結構和物質的物相。當X射線通過某種物質時，會產生不同的衍射花樣，該衍射花樣可用于表征物質的晶體結構。隨著現代科學技術的發展，X射線衍射技術的不斷進步，在材料探測方面取得了重要進展，X射線衍射技術可以對晶體、非晶體、人工器件和生物有機體等材料的結構進行分析和表征，該技術為材料科學的發展提供了一種重要的結構表征手段。

1 X射線衍射基本原理

X射線是一種波長較短的電磁波，波長在10-10～10-12 m之間，X射線一般由X射線光管產生，在一根封閉的真空管中，在管子的陰極和陽極施加一個高電壓，從陰極發射出的電子流在高壓作用下被加速，高速電子流轟擊陽極金屬靶產生X射線。當一束單色的X射線照射到晶體上時，由于晶體物質是由規則排列的原子構成，規則排列的原子間的距離與X射線波長相當，經不同原子散射的X射線相互干涉，X射線在某些特殊方向上被加強，衍射線方位和強度的空間分布與晶體結構密切相關，不同晶體結構的物質具有各自獨特的衍射花樣，這就是X射線衍射的基本原理[1]。

1913年，英國物理學家布拉格父子提出了可以反映衍射空間方位和晶體內部結構關系的布拉格方程：

（1）

式中d為晶體的晶面間距，n為任意正整數，θ為掠射角，λ為X射線波長。

2 X射線衍射技術在材料分析中的應用

2.1 物相分析

任何一種晶體都有自己特定的點陣類型、晶胞大小、晶胞中原子的位置和數目等結構參數，這些特定的結構與X射線的衍射角θ和衍射強度I存在某種對應關系。因此，當X射線在晶體中發生衍射時，不同的晶體對應不同的衍射花樣，不存在衍射花樣完全相同的兩種物質。對于自然界中存在的結晶物質，在一定的規范的測試條件下，對所有物質進行X射線衍射測試，得到所有物質的標準X射線衍射花樣（即I-2θ曲線），各種已知晶體的X射線衍射花樣的收集、校訂、編輯和出版工作是由“粉末衍射標準聯合委員會（JCPDS）”負責，每一種晶體的X射線衍射花樣被制成一張卡片，稱為粉末衍射卡（簡稱PDF卡），X射線物相分析就是利用PDF卡片進行物相檢索和分析的。要對某種未知樣品進行物相分析時，首先利用X射線衍射儀測試出該樣品的X射線衍射花樣，然后將實驗測試X射線衍射花樣與數據庫中標準的X射線衍射花樣進行對比，如果該樣品是一種單相物質，通過對比可以直接確定該樣品的物相；如果該樣品是由多種晶體構成，則可以在所測重疊的衍射花樣中將各種晶體的衍射花樣逐一剝離出來，從而確定出該樣品的物相構成。

2.2 應力的測定

薄膜的性能與其化學成分、微結構、表形貌及殘余應力等多種因素密切相關。研究表明，殘余應力對薄膜的電磁學和力學性能及其使用壽命都有重要影響。準確測量薄膜的殘余應力是薄膜應用的基礎，在科學和技術方面具有重要的意義。薄膜殘余應力的測試方法主要包括中子衍射法、拉曼光譜法、壓痕法、曲率法和X射線衍射法等。與其他方法相比，X射線衍射技術因其具有非破壞性、可測局部應力、可測表面應力、可區分應力類型、測量時無需使材料處于無應力狀態等優點而成為一種比較理想的殘余應力測試手段。于國建等[2]采用X射線衍射技術測試了金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術外延生長的GaN薄膜的應力情況，結果表明，GaN薄膜中存在壓應力。

2.3 材料粒徑的表征

納米材料的性能與其粒徑的尺寸密切相關。由于納米材料顆粒尺寸較小，極易發生團聚，若采用粒度分析儀測試納米材料的顆粒尺寸，得到的結果與其實際的顆粒尺寸差距較大。利用X射線衍射花樣，根據謝樂公式可以測定納米材料的平均顆粒尺寸。楊景景等[3]利用謝樂公式計算出溶膠-凝膠法制備Co摻雜ZnO薄膜的平均晶粒尺寸，并研究Co摻雜量對ZnO薄膜晶粒尺寸的影響。

2.4 結晶度的測定

結晶度是影響材料性能的重要參數。在一些情況下，物質結晶相和非晶相的衍射圖譜往往會重疊。結晶度的測定主要是根據結晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積的比，在測定時必須把晶相、非晶相及背景不相干散射分離開來。范雄等[4]利用X射線衍射儀測試了不同退火時間處理的聚丙烯的X射線衍射花樣，并采用函數分峰法計算出樣品中非晶峰和結晶峰比例關系，計算出不同退火處理條件下聚丙烯的結晶度，找出聚丙烯結晶度隨退火時間的變化規律。

3 結語

X射線衍射技術已經滲透到物理、化學和材料科學等諸多領域，成為一種重要測試和分析方法。該文主要介紹了X射線衍射的基本原理以及X射線衍射技術在材料物相分析、應力測量、晶粒尺寸分析和結晶度計算等方面的應用。

參考文獻

[1] 范雄.金屬X射線衍射學[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2] 于國建，徐明升，胡小波，等.SiC襯底上生長的GaN外延層的高分辨X射線衍射分析[J].人工晶體學報，2014，43（5）：1017-1022.

[3] 楊景景，方慶清，王保明，等.Co摻雜對ZnO薄膜結構和性能的影響[J].物理學報，2007，56（2）：1116-1120.

[4] 范雄，源可珊.高聚物結晶度的X射線衍射測定[J].理化檢驗：物理分冊，1998， 34（12）：17-19.