XRD - X線回折
粉末や固体から薄膜やナノ材料まで対応する、結晶化合物の非破壊分析手法
粉末や固体から薄膜やナノ材料まで対応する、結晶化合物の非破壊分析手法
このページでは、XRDの原理やXRDを用いた測定事例、XRD分析装置をご紹介します。
X線回折法(XRD) は汎用性の高い非破壊分析手法であり、粉末サンプル、固体サンプル、液体サンプルの相組成、結晶構造、配向などの物性を分析するために使用します。
相の同定は、未知のサンプルから得られたX線回折パターンとリファレンスデータベースのパターンを比較することで実行できます。このプロセスは、事件現場の捜査で指紋を照合するようなものです。最も包括的な化合物データベースは、ICDD (International Centre of Diffraction Data) によって維持管理されています。また、実測による純粋相の回折パターン、または科学技術文献で公開されているパターンや独自の測定で得られたパターンからリファレンスデータベースを構築することもできます。
マルバーン・パナリティカルのEmpyreanなどの最新のコンピュータ制御のXRDシステムは、粉末解析ソフトウェア(HighScoreなど) と組み合わせて使用します。このようなシステムでは複雑な複合混合物による回折パターンであっても、個々の成分の定性分析および定量分析をすることができます。
XRDで何がわかるのか、わからないのか
XRDを用いることで、結晶性材料に関する多くの情報を得ることができます。代表的なものとして、結晶相の同定、結晶構造の解析、格子定数の決定、結晶の歪みや相変化の評価などが挙げられます。
一方で、XRDは結晶構造に基づく分析手法であるため、非晶質成分のみからなるサンプルや、極めて微量な成分の検出については、条件によって制約が生じる場合があります。このため、測定目的によっては、他の分析手法と組み合わせて使用することが重要です。
この段階で重要なのは、「自分のサンプルではXRDで何が評価できるのか」を正しく理解することです。
相の同定は、未知のサンプルから得られたX線回折パターンを、リファレンスデータベースに登録された回折パターンと比較することで実行できます。このプロセスは、事件現場の捜査で指紋を照合することに例えられます。
最も包括的な化合物データベースは、ICDD（International Centre of Diffraction Data）によって維持管理されています。また、実測による純粋相の回折パターンや、科学技術文献で公開されているパターン、独自測定で得られたパターンを用いて、独自のリファレンスデータベースを構築することも可能です。
XRD装置で測定された回折パターンは、結晶構造や物性に関する情報を反映しています。回折パターンを読み取ることで、結晶構造、格子定数、結晶の歪み、相変化といった情報を得ることができます。
回折パターン解析では、まずピークの位置に注目します。ピーク位置はブラッグの法則によって決まり、結晶面間隔や格子定数の算出が可能です。次に、ピークの強度から結晶性評価や定量分析を行い、さらにピークの形状から結晶子サイズや構造に関する情報を得ることができます。
これらの解析には経験と専門知識が必要となるため、専門的な知識がない場合は、XRD装置のメーカーや販売元に相談することが有効です。
XRD装置で測定された回折パターンは、結晶の結晶構造や物性に関する情報を表しています。回折パターンを読み取ることで、以下の情報を得ることができます。
回折パターンの読み取り方としては、以下の方法があります。
1, ピークの位置
回折パターンのピークの位置は、ブラッグの法則によって決まります。ピークの位置から、結晶の面間隔や格子定数を計算することができます。
2, ピークの強度
回折パターンのピークの強度は、結晶の結晶構造や物性によって異なります。ピークの強度から、結晶性評価や定量分析を行うことができます。
3, ピークの形状
回折パターンのピークの形状は、結晶状態によって異なります。ピークの形状から、結晶の構造や結晶子サイズ情報を得ることができます。
回折パターンの読み取り方には、経験と専門知識が必要です。専門的な知識がない場合、XRD装置のメーカーや販売元に相談するとよいでしょう。
XRD（X線回折）により得られるリートベルト解析結果の例を示します。XRDでは、回折パターンの取得にとどまらず、リートベルト解析を用いることで、複数相を含む試料に対して定量的な結晶相解析を行うことが可能です。
粉末・卓上型XRD Aeris（エアリス）によるセラミックス試料のリートベルト定量解析結果
粉末X線回折装置では、管球から発生したX線が一次光学系を通過してサンプルに照射され、サンプル中の結晶相によって回折されます。回折されたX線は二次光学系を通過して検出器に入り、回折角2θを変化させることで回折強度が測定されます。
回折装置の配置およびサンプルの種類に応じて、入射ビームとサンプル間の角度は固定または可変となり、一般的には回折ビーム角度と対になっています。
XRDの測定原理や、X線回折でわかることなど、基本を学べる無料Webセミナー「はじめてのXRD」をご用意しています。
異動や新規配属で分析を担当することになった方、学生の皆様、復習したい方にも最適です。
多目的 X 線回折装置
卓上型のX線回折装置（XRD）
