单晶和多晶是晶体材料的两种基本形态，它们在结构、性能及应用方面存在显著差异。
其中，单晶体是由一个连续的、无缺陷的晶体结构组成，其原子排列在三维空间呈现出高度有序且一致的特质，晶面方向在整个晶体中保持唯一且连续分布，可以通过晶体学中常用的米勒指数（如(100)、(111) 等）精确描述晶面的方向。
这种结构使得单晶体具有统一的物理和化学性质，例如单一的极化方向或磁化方向，适合研究材料特性。
多晶体由多个独立的不同取向的晶体单元（晶粒）组成，这些晶粒内部的原子排列有序，但它们之间存在晶界，晶界处的原子排列不连续，导致多晶材料的性能表现出各向异性和不均匀性。
单晶体因为其原子排列更加有序，且不存在晶界，因此，单晶材料通常具有更高的强度、更好的导电性和导热性。
通常具有更高的强度、导电性和磁性，不同方向的晶面可以表现出不同的表面能和化学活性，例如TiO₂的{001}、{101}和{110}晶面具有不同的表面能和化学活性(10.1039/d3sc04328b）。其中，{110}晶面的表面能最高，因此在TiO₂中是高度活跃的晶面，而{101}晶面的表面能最低，表现出较高的稳定性。
多晶体由于晶界的干扰，对电子、光子和热流的传导产生散射作用，可能会导致降低机械强度或增加腐蚀倾向，其性能通常低于单晶体，但具有更好的韧性和加工性能。
在多晶材料中，不同晶粒的晶面方向是随机分布的，整体上无法用单一方向描述。由于晶粒方向的多样性，宏观上表现为各向同性（如在机械性能或导热性能上），但微观上不同晶粒的晶面性质可能差异显著。
以硅太阳能电池为例，其核心材料为硅。硅可以分为单晶硅和多晶硅两种形式，单晶硅太阳能电池由单一晶体硅片制成，晶体结构整齐有序，没有晶界的存在。
这种结构使得电子在材料中的传输更加顺畅，从而提高了电池的效率和性能(10.3389/fenrg.2023.1164494)。
然而，单晶硅的生产成本较高，因为需要通过复杂的提纯和切割工艺来制造高质量的单晶硅片，而多晶硅太阳能电池的生产成本较低，因为其制造工艺相对简单，不需要像单晶硅那样严格的提纯和切割过程，即使它的性能较弱，在市场上的占有率却更高。
要区分单晶和多晶材料，可以基于晶体结构的有序性、晶界的存在与否以及晶体内部的物理特性差异,通过表征技术进行分析。其中，X射线衍射分析（XRD）是区分晶体材料的重要方式。
如上图所示，单晶材料的XRD图谱通常表现为尖锐且强度较高的衍射峰，这些峰对应于晶体内部高度有序的原子排列。
这是因为单晶中晶体结构的高度一致性导致衍射峰具有较高的分辨率和对称性。
而如下图所示，多晶材料的衍射峰则表现为较宽的峰形，强度也相对较弱，这是因为多晶材料由许多晶粒组成，每个晶粒的取向不同，导致衍射峰出现一定的弥散现象。
单晶和多晶的主要区别在于其晶体结构的连续性和均匀性。单晶体由于其高度有序的结构，通常具有更高的性能，适用于需要高精度和高性能的领域；而多晶体则因其成本低、加工方便，在大规模生产和经济性要求较高的领域占据重要地位。这些特性决定了它们在不同领域的广泛应用。