Le diffractomètre à rayons X (XRD) est basé sur le principe de diffraction de Bragg et révèle la structure cristalline, la composition de la phase objet et l'état de stress d'une substance en mesurant le signal diffracté des rayons X dans un cristal. Son principe de fonctionnement de base peut être démonté en liens suivants:

I. génération de rayons X: conversion d'énergie pour les électrons à grande vitesse frappant la cible

XRD utilise un tube à rayons X comme source de lumière, dont la cathode émet un flux d'électrons à grande vitesse qui frappe une cible anodique (telle que la cible Cu) sous l'accélération d'un champ électrique haute tension de plusieurs dizaines de milliers de volts. Les électrons interagissent avec les électrons de la couche interne de l'atome cible, de sorte que les électrons de la couche interne sont excités et que les transitions électroniques de la couche externe libèrent des rayons X de longueurs d'onde spécifiques lorsqu'elles remplissent les lacunes. Par exemple, une cible de Cu produit des rayons kα à une longueur d'onde de 0154 nm, ce qui convient à la plupart des analyses de structures cristallines.

Diffraction cristalline: effet interférentiel de l'arrangement périodique des atomes

Lorsque des rayons X monochromatiques frappent un cristal, les atomes régulièrement alignés dans le cristal deviennent une source de diffusion. La longueur d'onde des rayons X diffusés par chaque atome est la même que celle de l'onde incidente, mais la phase varie en fonction de la différence de position des atomes. En raison de la périodicité de la structure cristalline, l'onde diffusée interfère de manière prolongée dans une direction particulière (satisfaisant l'équation de Bragg), formant un pic de diffraction. L'équation de Bragg 2dsinθ = nλ est la base de la théorie de base, où D est l'espacement des plans cristallins, θ est l'angle d'incidence, n est la progression de diffraction et λ est la longueur d'onde des rayons X.

Iii. Détection et traitement du signal: du pic de diffraction à l'information structurelle

Les rayons X diffractés, dont l'angle est ajusté avec précision au moyen d'un goniomètre (composant central), sont reçus par le détecteur et convertis en signaux électriques. Le système enregistre l'angle de diffraction (2θ) et les données d'intensité, générant des cartes de diffraction. L'analyse de la position, de l'intensité et de la forme des pics de diffraction dans la carte permet de déterminer la structure cristalline (par exemple, le système cristallin, les paramètres de la cellule), la composition de la phase matérielle (par rapport aux cartes PDF standard) et les contraintes résiduelles (analyse du décalage du Pic). Par example, la cristallinité d'un matériau peut être évaluée par le rapport d'intensité du pic au bruit de fond.