We present x-ray-diffraction profiles from a variety of different crystals which are characteristically diffuse in the direction perpendicular to the surface through which the incident and diffracted beams pass, but sharp in both parallel directions. We show that these effects arise from truncation of the crystal lattice at the surface. To explain the precise form of the momentum-transfer dependence of the intensity across the reciprocal-space zone, it is necessary to include the effects of surface roughness on an atomic scale. Such measurements therefore allow highly sensitive roughness determinations to be made. Understanding the origin of these streaks of intensity will have significant impact on the practice of x-ray crystallographic determinations of surface structure.

A general introduction to X-ray diffraction and its application to the study of surfaces and interfaces is presented. The application of X-ray diffraction to various problems in surface and interface science is illustrated through five different techniques: crystal truncation rod analysis; two-dimensional crystallography; three-dimensional structure analysis; the evanescent wave method; and lineshape analysis. These techniques are explained with numerous examples from experiments and with the aid of an extensive bibliography.

GexSi1−x films are grown on Si by molecular beam epitaxy and analyzed by Nomarski optical interference microscopy, Rutherford ion backscattering and channeling, x-ray diffraction, and transmission electron microscopy. The full range of alloy compositions will grow smoothly on silicon. GexSi1−x films with x≤0.5 can be grown free of dislocations by means of strained-layer epitaxy where lattice mismatch is accommodated by tetragonal strain. Critical thickness and composition values are tabulated for strained-layer growth. Multiple strained layers are combined to form a GexSi1−x/Si strained-layer superlattice.

Coherent X-ray diffraction imaging is a rapidly advancing form of microscopy: diffraction patterns, measured using the latest third-generation synchrotron radiation sources, can be inverted to obtain full three-dimensional images of the interior density within nanocrystals. Diffraction from an ideal crystal lattice results in an identical copy of this continuous diffraction pattern at every Bragg peak. This symmetry is broken by the presence of strain fields, which arise from the epitaxial contact forces that are inevitable whenever nanocrystals are prepared on a substrate. When strain is present, the diffraction copies at different Bragg peaks are no longer identical and contain additional information, appearing as broken local inversion symmetry about each Bragg point. Here we show that one such pattern can nevertheless be inverted to obtain a 'complex' crystal density, whose phase encodes a projection of the lattice deformation. A lead nanocrystal was crystallized in ultrahigh vacuum from a droplet on a silica substrate and equilibrated close to its melting point. A three-dimensional image of the density, obtained by inversion of the coherent X-ray diffraction, shows the expected facetted morphology, but in addition reveals a real-space phase that is consistent with the three-dimensional evolution of a deformation field arising from interfacial contact forces. Quantitative three-dimensional imaging of lattice strain on the nanometre scale will have profound consequences for our fundamental understanding of grain interactions and defects in crystalline materials. Our method of measuring and inverting diffraction patterns from nanocrystals represents a vital step towards the ultimate goal of atomic resolution single-molecule imaging that is a prominent justification for development of X-ray free-electron lasers.

Inverse problems arise frequently in physics: The magnitude of the Fourier transform of some function is measurable, but not its phase. The "phase problem" in crystallography arises because the number of discrete measurements (Bragg peak intensities) is only half the number of unknowns (electron density points in space). Sayre first proposed that oversampling of diffraction data should allow a solution, and this has recently been demonstrated. Here we report the successful phasing of an oversampled hard x-ray diffraction pattern measured from a single nanocrystal of gold.

The following topics are dealt with: TTF/FLASH in the XFEL context, general layout of the XFEL facility, the XFEL accelerator, undulators for SAES and spontaneous emission, photon beamlines and scientific instruments, infrastructure and auxiliary systems, commissioning and operation, project management and organization, cost and time schedule. (HSI)

Li- and Mn-rich (LMR) cathode materials that utilize both cation and anion redox can yield substantial increases in battery energy density1–3. However, although voltage decay issues cause continuous energy loss and impede commercialization, the prerequisite driving force for this phenomenon remains a mystery3–6 Here, with in situ nanoscale sensitive coherent X-ray diffraction imaging techniques, we reveal that nanostrain and lattice displacement accumulate continuously during operation of the cell. Evidence shows that this effect is the driving force for both structure degradation and oxygen loss, which trigger the well-known rapid voltage decay in LMR cathodes. By carrying out micro- to macro-length characterizations that span atomic structure, the primary particle, multiparticle and electrode levels, we demonstrate that the heterogeneous nature of LMR cathodes inevitably causes pernicious phase displacement/strain, which cannot be eliminated by conventional doping or coating methods. We therefore propose mesostructural design as a strategy to mitigate lattice displacement and inhomogeneous electrochemical/structural evolutions, thereby achieving stable voltage and capacity profiles. These findings highlight the significance of lattice strain/displacement in causing voltage decay and will inspire a wave of efforts to unlock the potential of the broad-scale commercialization of LMR cathode materials. Diffractive imaging of an important class of battery electrodes during cycling shows that lattice strain is a crucial yet overlooked factor that contributes to voltage fade over time.

Distorted Nanoparticle Nanoparticles have found many applications in modern technology; however, the full characterization of individual particles is challenging. One of the most interesting mechanical properties is the particle's response to lattice distortion. This property has been probed for ensembles of nanoparticles, but the required averaging may distort the results. Clark et al. (p. 56 , published online 23 May; see the Perspective by Hartland and Lo ) were able to image the generation and subsequent evolution of coherent acoustic phonons from an individual perturbed gold nanocrystal on the picosecond time scale.