在材料研究中，科學家有許多與化學組成及材料結晶結構相關的分析問題。X 光繞射 (XRD) 是唯一非破壞性且能準確獲取化學組成、晶體結構、晶粒大小、晶格應變、優選晶向及層厚度等資訊的實驗室技術。因此，材料研究人員使用 XRD 來分析各種材料，包括粉末、固體、薄膜和奈米材料。
什麼是 X 光繞射？
X 光繞射 (XRD) 是一種多功能的非破壞性分析技術，可用於分析物理性質，如粉末、固體與液體樣品的相組成、晶體結構及方向。
許多材料都是由微小晶粒所構成。這些晶體的化學組成和結構類型被稱為晶體的「相」。材料可以是單相或多相混合物，並可能含有結晶與非結晶成分。在 X 光繞射儀中，不同的晶相會產生不同的繞射模式。藉由比較從未知樣品中獲得的 X 光繞射圖案和參考資料庫中的圖案進行晶相鑑定。此流程就像是在犯罪現場調查中比對指紋。最完整的化合物資料庫是由 ICDD (繞射數據國際中心，International Center of Diffraction Data) 所維護。您也可以依據測量的純相繞射圖案、科學文獻中發表的圖案或您自己的測量結果建立參考資料庫。依據多相混合物中不同相的圖案相對強度來確定樣品的完整組成。
XRD 儀器如何運作？
X 光儀器包含三個主要元件：X 光源、樣品架和 XRD 偵測器。
藉由光源所產生的 X 光會照射樣品。接著 X 光會受到樣品相的影響而產生繞射，然後進入偵測器。透過移動試管或樣品與偵測器以改變繞射角度 (2θ，入射光束與繞射光束之間的角度)，測得強度並記錄繞射資料。視繞射儀的幾何形狀與樣品類型而定，入射光束與樣品之間的角度可以固定或改變，且通常會與繞射光束的角度進行搭配。
XRD 的應用
許多工業與科學實驗室的研究人員仰賴 X 光繞射 (XRD) 作為開發新材料或增進生產效率的工具。X 光繞射的創新密切關注新材料的研究，例如半導體技術或製藥研究。工業研究的目標是不斷提升生產過程的速度與效率。在採礦和建築材料生產場所進行全自動化 X 光繞射分析，能為生產控制提供更具成本效益的解決方案。
X 光繞射的主要用途為：
純物質與混合物的定性與定量相分析。 最常見的相分析方法通常被稱為「X 光粉末繞射」(XRPD)。
- 在其他特殊條件下的相變化分析，例如溫度、濕度和外加壓力 (可控環境研究)。
- 物理特性分析，像是晶粒大小 (直徑)、晶體方向和殘餘應力，這些特性合稱為多晶形材料「微結構」。
- 許多這些技術也可以使用被稱為低掠角 XRD (GIXRD) 的方法，被用於多晶形分層材料，例如塗層與薄膜。多晶形材料中，小區域的研究採用了被稱為微繞射的方法。
針對非多晶形材料 (例如單晶體半導體晶圓或磊晶層) 的其他 X 光繞射技術包括非均相磊晶層高解析度分析 (HR-XRD)，此分析利用布拉格定律與動態繞射理論進行。
X 光散射
研究材料非結晶成分的其他方法使用各種 X 光散射方法，包括低掠角小角度 X 光散射 (GISAXS)、小角度 X 光散射 (SAXS)、全散射 (也被稱為成對分佈函數 (PDF) 分析)、X 光反射式量測 (XRR)。每種方法都有自己的數據分析演算法，以基本散射理論為根據。
分析軟體
測量 X 光散射或繞射圖案後，必須加以分析。X 光繞射和 X 光散射資料的分析可能非常複雜。為讓使用者輕鬆使用，提供多種 XRD 軟體套件支援所有不同類型的測量。
XRD 的優點
XRD 速度極快 (通常低於 20 分鐘)，且通常是明確鑑定未知材料時最準確、最可靠的技術。由於所需樣品製備極少，因此這項技術非常受歡迎，並且適用於工業製程應用和材料研究。只要擁有合適的分析軟體，資料分析便能簡單明瞭；而針對工業製程，資料分析甚至可以自動化進行；因此在 QC 應用中，操作員不需要是 XRD 專家。
