本系列的文章主要着重于粉末X射线衍射的相关知识。上节已经讨论完仪器品牌（布鲁克）理学等）的基本介绍、XRD制样（平板制样、毛细管制样）的相关注意事项、测试条件的选取、原位高低温XRD的简单介绍。
本节主要介绍 XRD标准卡片的数据库的相关知识 。包括标准卡片数据库的 种类及发展历史 、标准卡片数据库的使用方法、常用的 标准卡片数据库软件和网站 、 CIF文件的下载方法 （需要下载网站的可以直接跳到5.5节看）、 标准卡片及CIF文件包含的内容 、根据 CIF模拟XRD标准卡片的方法 等。
前面几节介绍都是比较侧重原理和理论，都可以在书本和文献中找到相应的知识点。而本节侧重于应用和方法，主要根据本人的一些经验来总结。因此所讲的内容可能有错误的、遗漏的、片面的地方，恳请大家在评论区批评指正，会及时修改错误。希望大家在学完本节之后可以回答以下问题：有哪些标准卡片数据库？应该如何使用标准卡片数据库软件？CIF文件包含哪些信息？CIF文件要如何下载？如何根据CIF模拟XRD标准卡片？
本节框架如下
5.1 引言
在前面几节我们从X射线讲起，说到XRD如何产生、XRD图谱的峰位、峰强、峰形的意义、多晶XRD图谱如何测试。在测试之后，我们得到了某个物质的XRD图谱，那么要如何物相分析呢？也就是判断我们到底合成了什么物质？有没有杂质？这个时候就要根据标准卡片判断。由于不同的物质在结构上有不同的晶系、空间群、原子类型、晶胞参数等，因此每个物质的XRD图谱也是不同的，就像每个人的指纹一样都是特别的，可以根据XRD图谱的峰位置来判断到底是什么物质。
前面我们讲过，在很久之前，研究人员测试XRD是利用X射线打到物质上，在胶片上产生不同的衍射斑点（劳厄法）。因为不同物质在胶片上会产生不同的衍射花样，为了后续比对方便，便把纯相物质的一个个胶片制作成标准物质的“卡片”。每次测完之后，就和之前做的标准物质卡片进行手动比对。后面为了有更多的标准卡片，几个科研人员Don Hanawalt, Ludo Frevel 和 Sid Rinn等搜集了大量固体粉末衍射数据，在1938年整理发布了第一批1054种重要化合物的数据作为物相定性分析的参考。1941年，在美国材料试验协会(ASTM)赞助下，美国Dow Chemical公司将这批数据以3in×5in(76.2mm× 127mm)的卡片形式再版发行，称为粉末衍射档案(PowderDiffraction File，PDF卡片)，合称第一辑(Set 1)。即使现在早已将之前的纸质版标准卡片数据库转换成电子数据库来保存，人们还是称之为“PDF卡片”。同时物相分析的方法也很简单，沿用Hanawalt建立的检索物相方法，主要就是收集物相的粉末衍射图、根据峰位和峰强算出出粉末衍射图中d-I（晶面间距d值和对应的衍射强度I）列表、采用XRD图谱的三强峰进行比对、然后再扩展到整个衍射图的比对来确定物相。
再后面，研究人员通过更加先进的手段，不仅测出物质的XRD图谱，还可以分析出其中的其他晶体学数据，如原子分布、原子位置等，于是便做出了一个CIF文件。CIF文件用处很大，在晶体、材料、计算化学领域都会用到。后续会仔细介绍。对于XRD而言，CIF文件也能转换成标准卡片来进行物相分析。
5.2 PDF卡片数据库介绍
不同的标准卡片数据库机构会购买科研人员做出来的卡片收到自己的数据库里，再通过卖给高校和机构来维持运行。不同机构会收购不同类型晶体的标准卡片，如无机晶体结构、有机晶体结构、金属有机材料结构、矿物结构等。
目前标准卡片数据库有 ICSD （The Inorganic Crystal Structure Database，无机晶体结构数据库）、 ICDD (International Centre for Diffraction Data，国际衍射数据中心)、 CCDC (Cambridge Crystallographic Data Centre，剑桥晶体数据中心。里面的数据为 CSD , The Cambridge Structural Database，剑桥结构数据库)、 COD (Crystallography Open Database，晶体学开放数据库)、AMCSD（American Mineralogist Crystal Structure Database，美国矿物晶体结构数据库）等。这里只介绍一些比较大的常用的，当然还有一些网站可以查询，后面会再放。
5.2.1 ICSD（The Inorganic Crystal Structure Database，无机晶体结构数据库）（德国）
ICSD数据库 icsd.products.fiz-karlsruhe.de/
ICSD是搜索无机晶体结构比较全也比较权威的数据库。里面可以下载到物质的标准卡片、CIF文件、原始文献等。但是ICSD的数据库需要学校或者机构购买，购买的数据库是网页版的ICSD，里面有最新一年的上传的数据。假如自己学校没有的话，也可以下载Findit2011软件，里面的数据库也是用的ICSD的数据库，但是只有2011年之前的（有的也可以操作成2017年前的）。
官方介绍：ICSD由德国的FIZ（Fachinformationszentrum Karlsruhe）和The Gmelin Institute (Frankfurt) 联合编辑，包含自1913年以来出版的已知的无机晶体结构，包含化学名和化学式、矿物名和相名称、晶胞参数、空间群、原子坐标、热参数、位置占位度、R因子及有关文献等各种信息。该数据库提供信息如下：* 纯元素，矿物，金属和金属间化合物的结构数据；结构描述（Pearson符号，ANX公式，Wyckoff序列）；书目数据；合成条件。数据库中所有的晶体结构都已经仔细评估和检查。原始数据来自80多个核心期刊和1300个其他期刊。ICSD的更新每年两次，每次添加约3,500新记录。目前的ICSD有9141种结构原型，包含超过18.5万个条目，包括：2032种元素的晶体结构；34587种二元化合物记录；68064种三元化合物记录；66817种四元及四元以上化合物记录；约147,000个（80％）已指定结构类型的条目。
5.2.2 ICDD(International Centre for Diffraction Data，国际衍射数据中心)（美国）
ICDD官网 www.icdd.com/
ICDD前身是JCPDS，大家常用的Jade6软件用的数据库就是老版的Jade物相分析软件+JCPDS 02年前的数据库。现在也有Jade9+ICSD2017+PDF-2009的软件组合使用。当然，有钱还是可以让实验室购买正版软件使用，里面会有更全的数据库。
先来介绍下JCPDS。1969年，粉末衍射法进行化学分析的联合委员会更名为国际粉末衍射标准联合委员会(The Joint Committee on Powder Diffraction Standard，简称JCPDS)，继续负责编辑出版粉末衍射卡集，简称PDF卡片集，卡片号码也改称JCPDS No.，仍沿用之前的编码格式。1971年，JCPDS出版至第21辑卡片已拥有21500种晶体材料的衍射数据及衍射花样。此后每年出版一辑，在每一辑出版的众多新卡片中，既有新物相的卡片，也有对某些旧卡片加以修正的新卡片。由JCPDS出版的标准衍射数据卡片称PDF卡片或JCPDS卡片。
再来介绍下ICDD的历史，1978年，为体现该工作的国际性，JCPDS正式更名为衍射数据国际中心ICDD(International Center for Diffraction Data)。由ICDD出版的标准衍射数据卡片称为ICDD-PDF卡片，至1986年，ICDD收录发行的PDF卡片超过了46000张，依然采用纸质卡片形式出版发行。1941年到1985年，随着衍射仪精度的提高，ICDD收录的PDF卡片精度也在不断提高，主要表现在晶面间距d值精度的提高 (5-6位有效数字)、采用NIST（美国国家标准局）标样定期校正X射线衍射仪的角度和精度、 数字化的强度信息、晶面指标化信息等方面。目前PDF卡片数据库数据不仅仅来自ICDD，同时也与世界上其他著名的晶体结构数据库合作，目前PDF数据库合作的数据库有：(1) ICSD；(2) CCDC；(3) NIST（National Institute of Science & Technology，国家标准技术研究所）；(4) 莱纳斯·鲍林文件（Linus Pauling File，LPF, MPDS-Vitznau）。同时自1987年开始，ICDD和MDI（Materials Data，简称MDI，总部位于加利福尼亚州）以互补的方式进行合作，ICDD-PDF数据库和MDI-JADE联合起来使用。
官方介绍：国际衍射数据中心（ICDD）为非盈利的科学组织，致力于收集、编辑、出版和分发粉末衍射数据库（PDF数据库），主要用于结晶材料的物相鉴定。ICDD是全球X射线衍射领域的权威机构。PDF数据库覆盖面广，精度高，兼容性强，功能强大，涵盖30多个领域，是材料学、物理学、化学、地质学、药物学、生物学、检验检疫、司法鉴定等科学研究及工业生产等领域不可缺少的数据库，并赢得全球用户的信任和支持。PDF卡片为标准化衍射数据，所有数据经过严格质量审查、并给出质量标记，集合ICSD, CSD, NIST, LPF晶体结构数据库，是全球综合性的晶体学衍射数据库。
5.2.3 CCDC(Cambridge Crystallographic Data Centre，剑桥晶体数据中心)（英国）
CCDC也被称为CSD (剑桥结构数据库)。主要用来查询有机晶体和金属有机晶体的标准卡片和CIF等信息。CCDC有网页版也有软件版。目前网上有较新的（2021）破解版本的CCDC软件可以下载。很多做MOF或者其他金属有机材料的在对合成的XRD进行物相分析时通常是先下载CIF文件，再通过软件转换成XRD模拟谱图来对比。
官方介绍：CSD成立于1965年，是世界上小分子有机和金属有机晶体结构的储存库。这个独特的精确3D结构数据库包含来自X射线和中子衍射分析的100多万个结构，已成为全球科学家的重要资源。这是一个值得信赖，高度策划的资源。添加到数据库的每个条目都经过自动检查，并由我们的内部专家科学编辑人员手动管理。每个结构都富含化学表示以及书目，化学和物理性质信息，为原始结构数据增加了进一步的价值。这些编辑过程对于使科学家能够以化学上有意义的方式解释结构至关重要。确保CSD具有最高质量，使全球科学家能够对分子结构和晶体材料的性质和行为产生丰富的见解。这些新知识已应用于整个学术界和工业界，以追求新药，新材料以及对化学和晶体学现象的更深入理解。CSD不断更新新结构（每年>50，000个新结构），并且由于它是每年不断发展的数据库，我们还对现有条目进行了广泛的改进和增强。通过定期的网络更新和早期在线访问新发布的结构，您可以通过CSD轻松了解最新研究。CCDC 使您能够通过我们的 CSD统计和见解部分探索 CSD内部的内容。本节展示了数据库是如何演变的，我们的顶级作者是谁，并提供了一些关于小分子结构化学方向的见解。您还可以在此处找到有关我们通往一百万个结构的更多信息。CSD中的单个结构可以使用CCDC的免费访问结构服务进行查看和检索。通过访问结构，您可以查看2D和3D数据集，查看有关结构的一些基本信息并下载各个沉积的数据集。更高级的精选信息以及 CSD 的高级搜索、分析和可视化可通过CSD 系统和更高级的 CSD-Enterprise 套件获得。
5.2.4 COD(Crystallography Open Database，晶体学开放数据库)
Crystallography Open Database crystallography.net/cod/browse.html
COD数据库的化合物很少，对于一些常见的物质都是有其CIF文件和基本信息的。虽然数据库很小，但是这个数据库是公开免费的。为一些仪器公司（布鲁克、理学等）提供基本免费的检索数据库。
COD数据库是从CSD、ICSD、CRYSTMET和ICDD在网络上免费提供其内容（晶体数据或粉末图案）的精简版。精该数据库捍卫的原则是，我们宇宙的天然或合成晶体样本中的原子位置是不受版权保护的。
还有一些数据库本人不常用，这里就没放。后续在下载CIF的部分会直接放链接，感兴趣自己查下相关信息。
5.3 PDF卡片数据库软件介绍
一般来说，我们尽量把物相分析软件（Jade、EVA、Highscore，PDXL等）和标准卡片数据库(ICSD、ICDD、COD等)联用搜索，这样才能快速对材料结构进行定性物相分析。假如课题组会买正版软件当然可以（一年几万或者十几万）。但是对于大部分课题组都是没有这个需求和能力的。当然目前也有Jade9 + ICSD2017 + PDF-2009的软件组合使用的方法了，对于合成常用物质的课题基本够用。然而有些专注于合成新物质或者搞无机材料的课题组需要较新的结构数据的，或者专门下载特定物质的CIF文件的。这个时候只能单独使用一些数据库软件来进行检索。其中包括Findit2011软件（ICSD 2011年之前数据库）；PDF2-2016（ICDD 2016年前数据库，PDF2和PDF4只有更新和功能上的一些区别）；PDF4-2009 （ICDD 2009年前数据库）；ICSD网页版（实时更新至最新）等。这边介绍一下一些软件的简单使用。 需要软件的可以关注我后私聊问我要 。
5.3.1 Fint2011（ICSD数据库2011年之前）
简单操作：0选择搜索方式。化学元素搜索、晶体学数据搜索、晶胞参数搜索、对称参数搜索、文献搜索等。1一般用化学元素搜索，挑选可能的化学元素，可搭配and, and not, or, or not等命令使用。2进行元素个数的限定。如2~6个，3~3个等。3点击搜索。
搜索后可以得到可能的物质列表，可以下载CIF文件获得原子坐标信息等。假如想要标准卡片的衍射峰，可以通过CIF文件用Vesta等各种软件提取一下。
5.3.2 PDF2-2016（ICDD 2016年前数据库）
操作方法和上一个一样，但是无法下载CIF文件，只能下载标准卡片。
5.3.3 PDF4-2009 （ICDD 2009年前数据库）
操作方法和上上个一样，但是无法下载CIF文件，只能下载标准卡片。
5.3.3 ICSD网页版（实时更新至最新）
ICSD数据库 icsd.products.fiz-karlsruhe.de/
ICSD网页版其实是本人最常用的。但由于只有部分高校购买了版权，所以很多其他人是无法使用的。里面的检索方式有基本检索、高级检索和其他检索方式。常用的基本检索就够了。基本检索里可以通过元素周期表选元素，也可以直接输入。如：想要Na, Fe, Co元素，不想要 K, Ni元素，就可以直接输入Na Fe Co -K -Ni 。然后再运行。搜索后点击自己想要查看的化合物可以查询更具体的信息。
5.4 PDF标准卡片和CIF文件介绍
虽然平常我们使用PDF标准卡片只需要用角度和强度来画图，或者利用CIF文件来画晶体图和计算，但是PDF标准卡片和CIF文件里面包含的信息我们必须大概了解。
5.4.1 PDF标准卡片介绍
所有PDF采用标准化格式，主要涵盖以下物相信息：1.PDF卡片号；2.衍射三强线的面间距d及相对衍射强度；3.化学式，英文名称，质量标记等；4.衍射分析的实验条件：靶材，单色器，温度等；5.晶体学数据：晶系、空间群、晶胞参数、I/Ic等；6.光学及其他物理性质；7.物相其它资料和数据，试样来源、化学分析数据、处理条件、衍射温度、数据警告等；8.物相所有的衍射数据：面间距d、相对强度I/I1、晶面指数hkl等。
我们可以利用角度和强度来画XRD图。也可以通过PDF卡片里的信息来知道物质的空间群和晶系，不同峰对应哪个晶面。辐射的光源用的是铜靶还是钼靶还是同步辐射光源。这样用数据才能得心应手。
5.4.2 CIF文件介绍
晶体学信息文件(Crystallographic Information File, CIF)是是由国际晶体学联合会（IUCr）颁布的用于表示晶体学信息的标准文本文件格式。它包含了每个晶体的详细信息，如晶胞参数、原子坐标、文献资料等。它是进行晶体结构描述，解析，传播和表达时最常使用的文件格式，广泛应用于晶体结构绘图，XRD精修以及材料理论计算等各个方面，在材料科学中具有着重要的作用。各种晶体/材料/计算/绘图软件，如Vesta，Diamond，GSAS，Mercury，Materials Studio，都以晶体信息文件作为输入或者输出结果。因此认识和获取CIF文件就显得极为重要。
我们可以用记事本打开.cif的文件。CIF包含的信息要比PDF卡片的信息要多，因为PDF卡片的信息可以用CIF来转换出来。关键就是因为CIF文件含有原子坐标，相当于是个立体的结构。操作性就会很大，可以画图、计算、拟合等等。其中CIF文件包含了：1. CIF文件的下载来源，编辑和使用信息；2. CIF文件的数据编号以及CIF文件文献来源，包括作者名称，题目，杂志名称，页码，DOI等信息；3. 晶体的结构信息，包括结构式，各个原子及其数量，空间群编码，晶系（cubic），空间群（Fm-3m），晶胞夹角（alpha, beta, gamma），晶胞包含的分子数Z，晶胞尺寸（a, b, c），晶胞体积（volume）等信息；4. 晶体中的对称位置及其坐标信息；5. 各个原子的参数信息，其中第1部分的描述分别竖排对应第2部分的信息，依次为：标签，符号，多重性，Wykoff标记，原子坐标（x, y, z），占位度，吸附的氢和原子位置计算标记；6. 原子的类型及其价态。
5.5 PDF标准卡片和CIF文件下载
由于CIF文件的内容比PDF卡片的内容要多，只要有了CIF，基本就可以得到PDF卡片的信息。所以下载方式先讲只能下载PDF卡片的方式，再讲CIF的下载方式，CIF到PDF卡片内容的转换就放到下面讲。
5.5.1 通过Jade来下载PDF卡片
Jade作为最常用的物相分析软件，在和不同的数据库（ICSD、ICDD）进行联用时，都会把数据库转换成不同的相图保存，即使原始的数据库软件不太好导出PDF卡片，但是用Jade都能导出。所以可以通过jade先搜出对应的物质，再双击物质，在弹出的窗口保存txt文件就是PDF卡片。也可以在物相分析的过程中双击打开PDF卡片窗口。这种方法找PDF卡片最常用，具体方式见下图。
5.5.2 通过PDF4-2009或者PDF2-2016软件等拷贝PDF卡片
虽然这两个数据库无法下载CIF文件，但是看看PDF卡片的信息还是可以的。通过搜索特定化合物，来将角度和强度直接复制下来作图也不失为一种方法。具体方法见下图。
5.5.3 通过ICSD（The Inorganic Crystal Structure Database，无机晶体结构数据库）下载CIF
ICSD icsd.products.fiz-karlsruhe.de/
前面已经提过，这里再说一遍检索方法。检索方式有基本检索、高级检索和其他检索方式。常用的基本检索就够了。基本检索里可以通过元素周期表选元素，也可以直接输入。如：想要Na, Fe, Co元素，不想要 K, Ni元素，就可以直接输入Na Fe Co -K -Ni 。然后再运行。搜索后点击自己想要查看的化合物可以查询更具体的信息。
5.5.4 通过COD(Crystallography Open Database，晶体学开放数据库)下载CIF
Crystallography Open Database crystallography.net/cod/browse.html
打开网站后，按下图步骤即可搜索。
5.5.5 通过CCDC(Cambridge Crystallographic Data Centre，剑桥晶体数据中心)网页或者软件下载CIF
The Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) www.ccdc.cam.ac.uk/structures/
CCDC主要针对有机物和金属有机物。具体搜索方式见下图。
5.5.6 通过AMCSD（American Mineralogist Crystal Structure Database，美国矿物晶体结构数据库）下载CIF
AMCSD rruff.geo.arizona.edu/AMS/amcsd.php
美国矿物协会晶体结构数据库主要是一些矿物学的晶体数据。该数据库包括发表在《美国矿物学家》、《加拿大矿物学家》、《欧洲矿物学杂志》和《矿物物理与化学》上的每个结构，以及来自其他期刊的精选数据集。该数据库由美国矿物学会和加拿大矿物学协会管理，并由国家科学基金会资助。搜索方式见下图。
5.5.7 通过MP（Materials project）下载CIF
Materials Project materialsproject.org/
Materials project是加州伯克利大学劳伦斯实验室及麻省理工学院等单位组建的一个网站。这个网站对于计算化学的人来说是很强大的武器。根据已知材料及超级计算机来研究各种材料的性质。下载CIF的方法如下。
5.5.8通过springer materials 数据库下载
SpringerMaterials materials.springer.com/
用的比较少，这里就放一下。
5.5.9 通过ICDD (International Centre for Diffraction Data，国际衍射数据中心)下载CIF
部分实验室买了正版软件的可以下载。本人没用过，这里只是放一下。
5.6 CIF文件到模拟PDF标准卡片的转换
上面给了很多下载CIF的方法。那么通过CIF如何查找PDF卡片的信息呢（角度、强度、晶面等数据），如何通过CIF转换成不同靶材的模拟的XRD衍射图呢？其实晶体学软件都可以做到。如Vesta，Diamond，GSAS，Mercury，Materials Studio等都可以。这边就简单列两个就行，其余软件摸索一下就会了。
5.6.1 VESTA转换数据方式
Vesta这个软件是本人最常用的。因为这个软件很小，功能很全，操作很简单，不需要复杂的绘图。处理无机晶体比较友好。具体转换数据方式如下。
5.6.2 Diamond转换数据方式
Diamond在晶体绘图上非常的好用。其将CIF文件转换成标准卡片的方法如下。
结语
本节介绍了 XRD标准卡片的数据库的相关知识 。包括标准卡片数据库的 种类及发展历史 、标准卡片数据库的使用方法、常用的标准卡片数据库 软件和网站 、 CIF文件的下载方法 、标准卡片及CIF文件包含的内容、根据CIF 模拟XRD标准卡片的方法 等。
下一节将介绍一下物相分析软件 Jade和EVA 的简单使用。