说明：本文华算科技介绍了单晶与多晶材料在结构、分类、缺陷演化、电学与磁学行为以及形核与生长行为等方面的差异。单晶具有长程有序的原子排列和单一晶向，而多晶由多个晶粒组成，晶粒间存在晶界。文中还探讨了外场对单晶和多晶形核与生长的影响。
什么是单晶、多晶
单晶与多晶是两种晶体材料在微观结构上的本质差异所形成的不同物相形式。其根本区别在于晶体结构的连续性与取向的一致性。
单晶体是指整个晶体内部原子排列具有长程有序性，在三维空间中呈现周期性延展，并且全体晶区仅具单一晶向的定向排列。这种结构具有严格的晶格周期性和方向一致性。
相比之下，多晶体由大量微小的晶粒组成，这些晶粒在晶格排列上具有独立的取向，每个晶粒内部为有序结构，但不同晶粒之间的取向差异形成晶界。晶界区域是晶体学取向发生突变的界面，体现出局部的结构无序性，因此多晶体在宏观上呈现各向同性（图1）。
图1. CZT晶体结构示意图。DOI: 10.2139/ssrn.5312666。
单晶与多晶的分类
在晶体材料的分类体系中，单晶与多晶分别依据其晶体取向与结构完整性被归入不同类别。
对于单晶体，其分类主要基于晶体所具有的对称性与晶系，例如立方晶系、六方晶系、正交晶系等。不同晶系中的单晶具有各自特有的晶格常数与原子配位方式，这些参数决定了单晶的方向性物理性质。
多晶体的分类则更为复杂，不仅涉及晶粒尺寸（例如纳米晶、多晶、粗晶等），还包括晶粒形貌、晶粒取向分布、晶界类型等因素。部分多晶材料表现出强烈织构，即大量晶粒具有相似的取向，从而在某些方向上表现出准各向异性特征（图2）。
图2. 多晶材料晶粒尺寸与形貌分布图。DOI：10.1093/mam/ozaf048.296。
单晶 VS 多晶
结构特点
单晶材料具有高度有序的原子排列结构，其空间周期性不仅在原子尺度得以体现，同时在微观形貌上展现出晶面规整、晶向明确等特征。由于缺乏晶界存在，单晶体内部的物理场（如电场、应力场、热流）沿晶体方向传播不受方向突变影响，故而呈现显著的各向异性。
在结构缺陷方面，单晶主要包含点缺陷、位错及堆垛层错等。这些缺陷的生成、迁移与交互机制对单晶的塑性变形和电输运行为具有决定性作用。单晶中缺乏晶界调控机制，导致其在塑性阶段变形局域化严重，易出现滑移面集中、裂纹快速传播等现象（图3）。
图3. 单晶与多晶材料微观结构演变。DOI: 10.1016/j.ijplas.2025.104351。
多晶材料则由取向各异的晶粒通过晶界连接而成，其整体结构为不连续晶格构成的集合体。由于晶粒之间存在随机或半随机取向，其宏观结构趋于各向同性。
在结构缺陷方面，多晶不仅包含单晶所具有的点缺陷与位错，还大量含有晶界、三重界、亚晶界等界面型缺陷。这些界面缺陷在材料整体能量构成中占据显著比重，常常成为扩散、滑移、腐蚀等过程的优先通道（图4）。
在多晶材料内部，不同晶粒的尺寸分布、取向差异与形貌形状会导致局部应力集中与变形不均，从而产生微观尺度的塑性不协调应变。这些应变在疲劳载荷下会促发裂纹萌生与扩展机制的空间演化，极大地影响材料的使用寿命与失效模式。
图4. 应力集中与晶粒尺寸引发的不协调变形。DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125816。
缺陷演化
单晶材料在应力、温度等外部场作用下的缺陷演化过程，主要体现在位错密度的增殖、交滑移与位错缠结等现象。
由于晶体内部缺乏晶界等结构性约束，单晶材料的缺陷动态演化路径具有较强的方向性与持续性。在高温环境下，单晶内部缺陷的回复与再结晶过程通常需要更高的激活能，表明其结构稳定性更高，热力学演化行为较缓（图5）。
图5. 微观结构演变示意图。DOI: 10.1016/j.actamat.2020.06.029。
多晶材料中，晶界作为缺陷源与缺陷汇并存的界面结构，其对缺陷迁移与聚集具有显著调节功能。晶界不仅作为位错的阻挡与吸附界面，还能促进位错湮灭与亚晶形成，从而引导材料组织的演化过程。
在热机械耦合场下，多晶材料中可观察到晶粒细化、动态再结晶、晶界迁移、纹理演变等复杂的动力学行为，其演化机制通常受控于应变速率、温度梯度与界面张力等参数。
图6. 晶间氦泡核示意图。DOI: 10.1080/14786435.2018.1551634。
此外，在腐蚀、辐照等环境负荷作用下，单晶与多晶的缺陷响应路径也呈现出分异性。
单晶结构中，点缺陷的聚集行为较为缓慢，辐照诱导的晶体膨胀及氦泡形成等过程需较高剂量才能显现。
而在多晶材料中，晶界处因能量不稳定，常作为点缺陷、间隙原子、杂质元素的富集区，导致晶界处局部物化性质显著偏离体相晶粒，进而引发沿晶界的加速腐蚀、脆断与早期失效等行为（图6）。
电学与磁学行为差异
在电学性能方面，单晶材料通常具有清晰的能带结构，其电子运动与晶体对称性直接相关。在具有各向异性的晶体结构中，载流子有效质量、迁移率、霍尔系数等参数在不同晶向上显著不同。
反观多晶材料，其晶界处结构无序、位错密集、能带扭曲，导致晶界区表现为散射中心与势垒区，抑制载流子的连续传输。因此，尽管各个晶粒内部具有良好导电性，整体电导性能却因晶界效应显著下降。晶界电阻、陷阱态密度及空间电荷区宽度等参数成为决定多晶材料电输运性能的关键变量。
图7. 结构中各向异性电导路径示意图。
磁学行为上，单晶材料中的磁各向异性源于晶格与自旋取向间的耦合关系。由于晶体结构的均一性，磁化方向可沿特定晶向排列，从而实现高磁化率与可控的矫顽力。
而多晶材料因晶粒取向杂乱，磁各向异性平均化，表现出磁滞回线形状的滞后性增强与磁损耗的增大，适用于需要方向无关磁性能的应用场景（图7）。
形核与生长行为
单晶与多晶在材料形成过程中，其形核与生长机制根本不同。单晶的形成依赖于单一成核点的连续生长过程，必须避免次生形核的发生。在此过程中，晶体取向在整个材料中保持一致，从而实现完整晶格结构的构建（图8）。
多晶材料的形核过程则通常伴随着大量独立晶核的异步形成，每一晶核可沿自身生长方向扩展，直至相邻晶粒发生接触，形成晶界。这一过程受控于冷却速率、扩散系数、溶质分布等参数，属于典型的非平衡凝固行为。晶粒之间的竞争机制使最终形成的多晶材料具有不规则晶粒尺寸与非均匀织构。
图8. 晶体成核过程。
此外，外加场（如磁场、电场、应力场）对单晶与多晶的形核与生长具有不同的调节作用。对于单晶，外场的引导作用可促使晶体沿特定取向择优生长；而对多晶而言，外场则可能改变晶粒形貌、晶界迁移速率及织构取向，从而调整材料宏观各向异性程度。
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