Phương pháp nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc và để khảo sát các pha tinh thể của vật liệu rắn, đồng thời ước lượng kích thước nano của tinh thể trong mẫu.
Nguyên lý của phương pháp là dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg, ta có chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới
nằm trong mặt phẳng hình vẽ. Theo nguyên lý cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật nhất định, khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài 0 tức là xấp xỉ với bước sóng tia Rơnghen (tia X). Do đó khi chiếu chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng tinh thể này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Hơn nữa, các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt song song. Do đó, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạch nhau được tính như sau:
2.d.sin (2.1)
Trong đó: d: Khoảng cách giữa hai mặt song song.
: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ.
: Hiệu quang trình của hai tia phản xạ.
Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng cùng pha thì hiệu quang trình phải bằng nguyên lần bước sóng λ, cho nên:
2.d.sin
n (2.2)
Đây là phương trình Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể, trong đó: λ: Bước sóng của tia X.
θ :góc giữa tia tới với mặt phẳng phản xạ. d: Khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng. n: Bậc phản xạ (với n = 1,2,3…).
Nếu tìm được các góc θ ứng với cực đại sẽ tìm được d theo điều kiện Vulf – Bragg. So sánh giá trị d tìm được với d chuẩn sẽ tìm được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Chính vì vậy phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cúu cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Các đỉnh nhiễu xạ giản đồ nhiễu xạ tia X đặc trưng cho cấu trúc của vật liệu, dựa vào số lượng, độ bán rộng, vị trí các đỉnh nhiễu xạ… ta có thể suy đoán được kiểu mạng, xác định bản chất mẫu vì mỗi loại chất hay vật liệu khác nhau sẽ cho ảnh nhiễu xạ với vị trí, số lượng cường độ của các vạch nhiễu xạ là khác nhau.
Để tính kích thước hạt thường sử dụng công thức Scherrer:
Trong đó: D 0, 9 cos (2.3)
D: Kích thước trung bình của các hạt. λ: Bước sóng của tia X.
θ: Góc nhiễu xạ, được sử dụng trong phép phân tích.
β: Độ rộng tại một nửa chiều cao của cực đại nhiễu xạ (FWHM).