测试表征系列 | XRD精修基本原理与GSAS软件介绍，干货满满，快学起来~
1 引言
X射线衍射分析（XRD）是材料、地质、物理、化学等众多学科中是最基本但也是最重要的一个表征手段。它被广泛地用来研究材料的相结构、相成分、晶粒尺寸、晶粒取向和微结构等。然而，最常用的多晶衍射法有着一些本征缺点，它得到的谱峰重叠严重，从而造成大量材料结构信息损失。1967年，荷兰晶体学家Hugo M. Rietveld提出了对中子衍射数据进行Rietveld全谱拟合的方法，克服了多晶衍射仅利用积分强度的不足，充分利用了谱图的所有信息，可以获得多晶材料的结构信息。后来，Rietveld方法也被用来对XRD数据进行分析。随着算法的完善和应用的推广，Rietveld方法已经成为获得结构信息和修正晶体结构最重要的方法之一。
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2 Rietveld法基本原理
Rietveld法是在给定初始结构模型和参数的情况下，利用一定的峰形函数来计算多晶衍射谱，同时利用最小二乘法不断调整晶体结构参数和峰形参数，从而使得计算谱图与实验谱图相结合，据此得到修正后的结构参数。
图1 XRD精修的原理
Rietveld法不仅可以对常规X射线测得的数据进行多晶结构修正，同时也可以对通过中子源和同步辐射源得到的结果进行精修。XRD精修的典型应用包括如下几个方面：
（1）确定与修正晶体结构；
（2）获得点阵常数和晶胞体积；
（3）获得键长键角；
（4）晶粒度测定；
（5）多相的定量分析；
（6）应力应变分析等。
3 GSAS软件简介
随着XRD精修的逐渐普及，越来越多的软件相继问世，诸如MDI Jade，GSAS，Fullprof，TOPAS和High Score Plus等。其中，GSAS软件开发较早，配有图形化界面EXPGUI，而且操作简单方便，因此使用最为广泛。
GSAS全称为General Structure Analysis System，中文名字为“综合结构分析系统”，它不仅可以运行在Windows平台，还能够在苹果公司的Mac系统以及Linux等系统使用。GSAS不仅可以用来单独精修常规X射线/中子衍射/同步辐射的数据，还可以将它们联合起来进行精修。
GSAS软件最初的版本是PC-GSAS，它是由美国的Allen C. Larson和R. B. Von Dreele共同开发处的，由于其采人机对话的方式进行操作，因此非常复杂且不人性化，现在基本已不再使用。
图2 PC-GSAS的界面
后来，B. H. Toby等人在PC-GSAS的基础上编写了图形化的界面，构成了现在最常使用的EXPGUI版本。该版本包含PC-GSAS的大部分功能，使用时注意引用文献：B. H. Toby，EXPGUI，a graphical user interface for GSAS, J. Appl. Cryst. 2001，34，210。
（1）使用搜索引擎进行搜索EXPGUI或者按照下面的链接直接下载软件：
https://subversion.xray.aps.anl.gov/EXPGUI/install/
（2）双击下图所示的安装包进行安装；
（3）首先是进入欢迎界面，点击Next；
（4）选择安装位置，建议安装在C盘，且不要有中文目录。
（5）选择创建桌面图标。
（6）点击Install进行安装；
（7）等待1-2分钟安装就完成了，然后点击Finish。
（8）可以发现桌面出现了“PC-GSAS”和“EXPGUI”两个图标，双击“EXPGUI”即可运行软件。
5 GSAS软件界面介绍
打开GSAS软件后，我们会看到两个界面，一个是Windows命令窗口，一个就是用户界面。命令窗口是程序运行所必须的，使用过程中不能关闭，可以将其最小化。
EXPGUI的用户界面主要包括五个部分：
（1）文件信息栏：显示文件名；
（2）菜单栏：包括文件，选项，结果，计算，导入/导出等菜单；
（3）按钮栏：提供了一些最常用的程序功能；
（4）选项卡栏：包含众多选项，用于对精修参数进行详细的调控；
（5）选项卡内容。
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