同步辐射XRD技术解读！

说明：本次主要介绍同步辐射XRD的基本原理，同步辐射XRD的四大特点，原位同步辐射XRD的装置，以及原位同步辐射XRD的应用。想学更多XAFS知识请看历史内容！

👉  同步辐射原位SAXS/XRD/XAFS联用装置技术解读！

当X射线照入具有晶体结构的物质中，遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在空间传播途中相互叠加，在不同传播方向产生离散的光强分布空间。同步辐射X射线衍射（XRD）是借助同步辐射源产生的高亮度、高能量X射线，为材料的微观结构研究提供了前所未有的精度和深度。与传统XRD技术相比，同步辐射光波长在大范围内连续可调，准直性好，研究尺度和范围都要优于常规X射线，已成为现代材料科学研究中不可或缺的工具。

• 晶体结构分析 

同步辐射XRD能够精确测定晶体的晶格参数、晶体对称性以及原子在晶格中的具体位置。通过对衍射数据的解析，可以获得材料的晶体结构，为理解其物理和化学性质提供基础信息。

• 相分析 

通过对衍射峰的位置和强度进行分析，能够准确识别材料中存在的不同相，包括固溶体、化合物和杂质相等。此外，同步辐射XRD还可定量估算各相的相对含量，为材料的成分分析提供重要依据。

• 晶粒尺寸与微观应力分析 

通过对衍射峰的宽度和形状进行分析，能够精确计算材料的晶粒尺寸和微观应力水平。晶粒尺寸越小，衍射峰越宽；而微观应力的存在会导致衍射峰发生位移。这种分析方法为研究材料的微观结构与宏观性能之间的关系提供了有力支持。

• 纹理分析  

同步辐射XRD可用于分析材料的晶体取向分布，即晶体纹理。通过对纹理的分析，可以深入了解材料在加工过程中的变形机制及其对性能的影响，这对于优化材料的制备工艺和提升其应用性能具有重要意义。

• 薄膜与多层结构分析  

对于薄膜和多层结构材料，同步辐射XRD能够提供薄膜的厚度、界面粗糙度以及应力状态等关键信息。这些数据对于研究薄膜材料的生长机制、界面特性和整体性能具有重要价值。

• 原位与动态分析  

借助同步辐射源的高亮度和高时间分辨率，同步辐射XRD能够实现材料在不同外界条件（如温度、压力、化学环境等）下的原位和动态分析。通过实时监测材料结构的演变过程，研究人员可以深入理解材料在实际应用中的行为，为开发高性能材料提供理论依据。

同步辐射XRD作为一种高效的材料表征技术，具有以下四个特点：

1. 高分辨率：同步辐射XRD的分辨率通常比常规XRD高几倍到一个数量级，有助于更精确地测定晶体结构。

2. 宽波谱范围：覆盖从软X射线到硬X射线的广泛波谱，适用于不同能量范围的样品分析。

3. 微区分析：可以实现微区分析，光斑尺寸可达到微米量级甚至更小，适合纳米尺度研究。

4. 快速测试：同步辐射源提供的X射线亮度远高于常规X射线源，这使得同步辐射XRD具有更高的信噪比和更快的测试速度。

与非原位SR-XRD相比，原位SR-XRD更广泛地被应用。在进行原位SR-XRD研究时，需要用到高X射线透射率的特殊样品池。同时，它必须在高温高压环境中具有足够的稳定性和强度。主要采用两种专用样品池：一种是基于闭端毛细管的，另一种是基于开口毛细管的。毛细管材料包括特种玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英玻璃和单晶蓝宝石玻璃。样品池通常由Swagelok或VCR Tee联合组装而成，一端连接气体系统，另一端封闭，用于安装毛细管。反应温度由外部气体吹扫器控制。样品池设计有助于消除衍射数据中的择优取向效应，并且可以通过旋转或使用铅屏蔽来减少衍射斑点。粉末样品通常放入小直径的开口毛细管中，以防止因氢化引起的膨胀而破裂。

对于原位SR-XRD，面积探测器（成像板或CCD）优先于其他类型的探测器，因为它具有许多优点。首先，从完整的XRD锥体整合强度可以减少或消除择优取向效应。其次，当样品池中发生化学反应时，产物的粒径可能明显大于反应物，产生更多类似单晶（斑点状）数据，而不是由细粉反应物产生的平滑衍射环。因此，面积探测器有助于改善粉末平均化。当可以根据它们的方位分布来区分相时，相分析也得到了简化。第三，可以直观地检测到来自样品的其他源的衍射，无论是中心与X射线束不同的衍射环，还是位于样品衍射环之外的衍射斑点。

同步辐射原位X射线衍射和成像技术探究可充电镁电池中以铜作为正极集流体的电池容量增加的原因

Zou等人为了进一步研究以Cu为正极CC并在电解液中引入锂离子的Mn_xO_y基可充电镁电池（RMBs）的容量增强，采用同步辐射XRD技术（图a和b）来监测电池循环过程中材料结构和物种的演变。图c和d显示了基于MnO₂-Cu、Mn₃O₄-Cu和Mn₂O₃-Cu的RMBs与APC电解液的显微XRD图。

出乎意料的是，没有观察到镁离子存储的迹象。相反，在所有系统中都观察到铜衍射峰的强度在连续充放电循环过程中有所下降。以MnO₂-Cu系统为例，当初始充电电位超过2.0 V时，Cu衍射峰的强度略有下降。然而，当长时间过充电时，Cu衍射峰的强度大幅下降（Cu(111) 峰强度从3200光子计数下降到2200光子计数，Cu(200)峰从1000光子计数下降到800光子计数）。

此外，在Mg|APC-Li⁺|MnxOy-Cu系统中观察到了放电容量随着持续循环而逐渐增加的行为，在电池循环过程中没有发现镁储存的迹象。电化学分析和操作同步辐射XRD的联合结果表明，所研究的RMBs的容量增益源于Mn_xO_y材料中镁离子存储以外的因素。具体来说，这可能是由于金属铜的腐蚀和锂离子的储存（就APC和APC-Li⁺电解质而言）。

https://doi.org/10.1002/anie.202416960

同步辐射原位解析FeMEA合金变形，揭示再结晶与非再结晶区域的应力分配！

利用原位同步辐射XRD对部分再结晶的亚稳态Fe_57.5Co₁₈Cr₁₃Ni_7.5Mo₃C₁(at%) FeMEA在拉伸加载过程中的每种变形机制进行定量分析。图(a)显示了拉伸试验过程中不同变形程度的原位同步辐射XRD图样。与初始图样相比，随着变形的进行，出现了三个主要变化：(ⅰ) 所有峰都向左移动；(ⅱ) 在塑性变形阶段，FCC峰呈现不对称轮廓；(ⅲ) BCC峰在屈服后开始出现。左移表示晶格间距（d_i^hkl）的增加，利用公式可将其转换为晶格应变（ε_i^hkl）。图(b)和(c)描述了FCC相各(hkl) 平面的晶格应变和应力随施加的真实应变而变化的情况。在试样屈服之前，所有 (hkl) 平面都会发生弹性变形，并呈线性增长。当试样进入塑性变形阶段时，它们开始表现出非线性响应。

由于FCC峰在塑性变形阶段的不对称性质，它们被分解为两个子峰，即FCC_ReX和FCC_nonReX。很明显，在FCC相中，不同晶畴或晶粒之间的晶格应变和应力有明显的分离。在ReX和非ReX晶域中，非ReX晶粒通常比ReX晶粒承受更高的晶格应力。此外，在每个结构域中，(200) 晶粒的晶格应变和应力水平最高，这与之前的研究结果一致。

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120757