XRD即X-Ray Diffraction（X射線衍射）的縮寫。X射線衍射是一種通過儀器進行檢測的光學分析法，將單色X射線照到粉晶樣品上，若其中一個晶粒的一組面網取向和入射X射線夾角為θ時，滿足衍射條件，則在衍射角2θ處產生衍射。樣品中有多個晶粒并滿足衍射。通過使用粉晶衍射儀的探測器以一定的角度繞樣品旋轉，接收到粉晶中不同網面、不同取向的全部衍射線，獲得相應的衍射圖譜。通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段，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題。
一． X射線
X射線是一種波長很短（約為10^-8~10^-12米），介于紫外線和伽馬射線之間的電磁輻射。由德國物理學家倫琴于1895年發現。X射線能夠穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發光、照相膠乳感光、氣體電離。
1.1 X射線的產生
當用一個高能量的粒子（電子、質子等）轟擊某物質時，若該物質的原子內層電子被轟擊出電子層，便形成空穴，此空穴會立即被較高能級電子層上的電子填充，于是會伴隨發射波長不等的X射線。被轟擊的物質不同，X射線的波長也不同。
1.2 產生X射線的裝置
l X射線管
 
在真空陰極和陽極之間加高壓。陰極由鎢絲制成，可發射電子。發射電子經高壓加速轟擊陽極（靶極），將陽極金屬內層電子撞出。外層電子躍遷，即釋放出X射線。
l 同步輻射X射線源
需要用強度特別高的X射線源時，常應用同步輻射X射線源。在電子同步加速器或電子儲存環中，高能電子在強大的磁偏轉力的作用下做軌道運動時，會發射出一種極強的光輻射，稱為同步輻射，它的頻譜范圍包括從紅外區域直到硬X射線的各個頻段，其中有0.01~40nm之間的連續的各個波長的X射線。同步輻射源強度高，發散度小，穩定性好。
1.3 X射線譜
由X射線裝置發射出來的X射線一般包括兩個部分：一部分是具有連續波長的X射線，稱為連續譜；另一部分是由陽極金屬材料成分決定的波長確定的特征X射線，稱為特征譜。X射線物相分析及結構分析主要用Kα作為單色X射線源，其他譜線應除去。
二． XRD基本原理
2.1 X射線與物質的相互作用
 
2.2 布拉格方程
 
布拉格方程：nλ=2dsinθ（λ為X射線波長，n為衍射級數，d為晶面間距，θ為衍射半角。）當單色X射線照在粉晶樣品上，若其中一個晶粒的一組網面（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射線的延長線的夾角）處產生衍射。由于晶粒的取向機遇，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，其衍射線相應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。如果使粉晶衍射儀的探測器儀一定的角度繞樣品旋轉，則可接收到粉晶中不同面網、不同取向的全部衍射線，獲得相應的衍射譜線。
三． XRD法
（1） 勞埃法
用連續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。勞埃法可測量晶體的位向，評定晶體的完整性。
（2） 轉晶法
采用單色X射線，試樣是單晶體。在實驗時，晶體繞所選定的晶軸或晶向轉動。此法主要用于測量未知晶體結構。
（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改變θ，以滿足布拉格方程的要求，其應用最廣泛。
四． XRD的構造
由X射線源、樣品及樣品位置取向的調整機構或系統、衍射方向和強度的測量系統、衍射圖的處理分析系統四個部分組成，如下圖所示。
 
X射線衍射儀的結構圖
對于多晶X射線衍射儀，主要由X射線發生器、測角儀、X射線探測器、X射線數據采集系統和各種電氣系統、保護系統組成。
五． XRD樣品制備
XRD試樣的制備應考慮晶粒大小、試樣的大小及厚度、擇優取向、加工應變和表面平整度。
（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驗用的粉末，再把樣品粉末制成有一個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，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，應注意將固定在窗孔內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，形成石蠟糊，或鋸成與窗孔大小一致，用石蠟固定在窗孔內。
六． XRD的應用
 
6.1 物相定性分析
目的：確定物質（材料）由哪些相組成。
原理：物質和衍射花樣一一對應，且各物質的衍射花樣互不影響。制備各種標準單相物質的衍射花樣并規范化，將待分析物質（樣品）的衍射花樣與之對照，從而確定物質的組成相。
步驟：制備待分析物質樣品→用衍射儀法或照相法獲得樣品衍射花樣→檢索PDF卡片→核對PDF卡片與物相判定。多相物質分析采用三強線法，反復嘗試，檢驗。
6.2 相定量分析
目的：確定各組成相的相對含量。
原理：混合物中某物相所產生的衍射線強度與其在混合物中的含量是成正比的。
方法：內標法，外標法，K值法。
6.3點陣常數的精確測定
 
6.4 宏觀應力分析
 
6.5 晶粒度測定
利用X射線衍射寬度法測量，應用謝樂公式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，一般可近似取為1），可求得晶粒度。
6.6 單晶取向的測定
單晶取向的測定就是找出晶體樣品中晶體學取向與樣品外坐標系的位向關系。一般用勞厄法單晶定向，其根據是底片上勞厄斑點轉換的極射面投影與樣品外坐標軸的極射赤面投影之間的位置關系。