高能量的X-ray 透過繞射物理現象進而分析材料原子排列結構情況。繞射峰的2theta 位置、半高寬、強度等資訊都可以幫助深度了解材料本身的晶體結構、晶粒大小以及成份含量多寡等。

圖1. 特性X-ray 產生示意圖 [1]。

西元1895年，德國科學家倫琴發現了一種未知射線，其射線具有高穿透性，隔著書本還是可以透出光線，而當時不知此神秘射線是為何物，於是取名「X-ray」。X-ray 分成連續X-ray 跟特性X-ray，能分析材料晶體結構的則是特性X-ray。目前我們是用什麼產生特性X-ray呢？將燈絲通入一高壓，產生出高速電子，而後撞擊到金屬靶材，例如銅靶，金屬原子外圍有多層電子軌域，高速電子撞出內層電子，就留下一空缺，此時原子狀態不穩定，因此外層電子則會遞補進內層空缺，此時就有一能量差會釋放出來，此為特性X-ray，如圖1所示 [1]。

圖2. 布拉格繞射原理示意圖。

X-ray怎麼分析材料晶體結構呢？ 主要是因為光的繞射現象，當X-ray 進入整齊重複排列的原子時，就會產生繞射。X-ray 進入不同層晶面時，其路徑不同，並形成光程差。假設晶面距離為d，入射角  為入射光與晶面間之夾角，當入射光被上下兩層晶面反射，此二反射光即有一光程差2dsin，當光程差等於X-ray 波長之整數倍，公式為2dsin = nλ ，形成建設性干涉，此為布拉格繞射 (Bragg’s Law，如圖2)。透過實驗量測得知繞射角度，代入布拉格繞射公式，即可求得晶體之晶格常數。

若原子以不規則排列則為非晶結構，X-ray無法進行繞射，因此無法分析材料；而有規則排列的原子所形成的晶體結構，我們透過繞射峰位置與強度比例，與材料晶體結構資料庫比對，即可知道所量測材料為何，圖3(a) 為XRD圖譜，從圖中可得知三個資訊，繞射峰2位置、峰值強度、半高寬，透過這些訊息就可以進行後續分析材料晶體結構，跟圖3 (b) JPCDS No. 00-027-1402比對後，確為矽之 FCC 晶體結構。而利用繞射峰之半高寬，可用Scherrer equation 公式能計算出晶粒大小。

綜合以上，利用X光在晶體中繞射的物理現象就可以得知材料本身結構。所以可以透過不同的光學模組就可以分析粉末、塊材、塗層薄膜、加工過零件以及磊晶材料等。