说明：本文华算科技介绍了晶体取向对材料性质的影响，包括电导率、介电常数、表面能、表面电子结构、原子/分子吸附能力和离子电导率。
晶体取向描述单晶或多晶材料中晶粒的晶体学方向（如晶面、晶向）在空间中的分布状态。多晶材料中晶粒取向的统计分布称为“择优取向（Preferred Orientation）”或“纹理（Texture）”，当加工或外场使晶粒形成择优取向分布时，这种非随机排列被称为晶体织构。
晶体取向直接影响原子排列的对称性和各向异性，是决定材料物理化学性质的关键因素之一。
图1 晶体取向工程在储能与转换中的概述示意图。DOI：10.1002/adma.202508546
材料的电导率是决定能量转换和存储系统性能的关键参数。在能量传输过程中，高电导率的材料可以有效降低电阻损耗，提高能量传输效率。
在能量转换领域，如光伏电池，电导率直接影响电荷收集和传输效率，从而决定器件的能量转换效率。此外，在储能系统中，如电池和超级电容器，电极材料的电导率决定电荷储存和释放的速率，进而影响系统的功率密度和循环稳定性。
电导率与晶体取向密切相关，因为晶体的各向异性特性导致沿特定晶体方向的电子迁移率明显高于其他方向，从而影响材料的整体电学性能。沿不同晶体方向的电导率差异可以归因于多种因素，包括原子堆积密度、键合构型、电荷载流子的有效质量和晶体结构的对称性。
以石墨为例，它由沿c轴堆叠的多层石墨烯组成。在每一层内，碳原子被sp2杂化并排列成六角形结构，形成离域的电子系统，从而实现有效的平面内电子传输。相反，相邻层由微弱的范德华力保持在一起，在平面之间提供最小的电子耦合。
结果，电子可以在基平面内自由移动，而面外传输受到严重阻碍，导致面内电导率比面外方向高几个数量级。
此外，对单个纳米材料（如单个颗粒或片材）的直接测量可以清楚地证明电导率对晶体取向的强烈依赖性。例如，TiO2单晶颗粒，用放置在扫描电子显微镜（SEM）中的探针站测试了它们的取向电导率，如图2a所示。
I-V曲线表明TiO2沿[001]晶向而不是[010]晶向具有显著更高的电导率（图2b）。当考虑TiO2颗粒尺寸时，两个不同方向之间的电导率差异达到约60倍。
图2 晶体取向对电导率的影响。DOI：10.1002/adma.201500198
介电常数是受晶体取向影响的另一个重要电学性质，它在储能和转换应用中也起着至关重要的作用。在压电和摩擦电纳米发电机等能量转换应用中，介电常数直接决定了材料的极化能力和电荷收集效率，影响将机械能转换为电能的能力。
介电常数沿各结晶方向的差异可主要归因于原子排列和晶格对称性等参数。这些参数的各向异性可决定沿不同结晶方向的极化响应能力。
在铁电材料中，介电常数还受自发极化方向的影响。当电场垂直于自发极化方向施加时，介电常数通常远高于平行配置，其中极化接近饱和。如图3，测试了不同取向的BaTiO3薄膜的介电常数差异（图3a）。[110]取向的BaTiO3薄膜在0.5kHz至2MHz范围内交付了比[001]-和[111]取向的更高的介电常数（图3b）。
图3 晶体取向对介电常数的影响。DOI：10.1016/j.vacuum.2025.114511
表面能作为一个基本的物理术语，被定义为特定晶体平面单位面积上的表面多余自由能，这在晶体生长和表面行为中非常重要。这些表面能决定的表面行为包括发生在固体表面的很多物理和化学现象，如液体的润湿性、原子、离子和分子的吸附和扩散以及它们相关的反应活动。不同取向的晶体材料的表面能可以通过DFT、水接触角等进行比较。
如图4，使用DFT计算来研究不同取向钙钛矿材料（甲基溴化铅铵（MAPbBr3））的表面能。构建了具有不同取向的三个晶面族（{100}、{110}和{111}）进行计算（图4a）。发现MAPbBr3在{100}晶面族中具有低得多的表面能，表明其晶体可以很容易地朝着相关的方向/纹理生长（图4b）。
图4 （a）几何构型。（b）MAPbBr3在不同方向上的表面能。DOI：10.1021/acsphotonics.2c00071
晶体材料的表面能与水接触角之间的关系可以归因于经典的杨氏方程：cosθ=(γSV-γSL)/γLV。其中θ、γSV、γSL、γLV分别指水接触角、固–汽、固–液和液–汽的界面能。
晶体材料的表面能，如γSV，与表面原子排列高度相关，而原子在该表面的排列也高度依赖于由晶体取向决定的暴露晶体平面。另一方面，高能晶体平面通常表现出更多的欠配位原子，它们与水分子的相互作用更强烈，从而降低了固–液界面能（γSL）。
由于γLV保持不变（即在室温下，水的值约为72.8mN m–1），较小的水接触角（水润湿性增加）可以指γSV和γSL之间的较大差异，并表明晶体固体的表面能较高。因此，水接触角测量可以作为一种间接但简单的技术来比较晶体材料不同晶体取向之间的表面能差异。
下图研究了不同取向Al2O3单晶薄膜表面能。水接触角测试表明，Al2O3在（11-20）、（10-10）和（0001）以及（1-102）晶面上的接触角分别为50.0°、54.3°、60.4°和90.2°（图5a）。
计算结果表明，不同晶面显示不同的表面能，其中（1-102）晶面最低（图5b）。由于晶体自发向低表面能的刻面生长在动力学上是有利的，研究不同刻面的表面能对于通过生长调制获得所需的取向非常有用。
图5 （a）不同单晶取向Al2O3上的水接触角。（b）不同方法计算的不同Al2O3平面的表面能。DOI：10.1093/nsr/nwaa166
结晶材料的不同方面可以表现出不同的原子/分子吸附能力。用于识别原子/分子吸附能力差异的新方法是DFT计算。
如图6，使用DFT计算研究了Li原子在不同取向Cu衬底上的吸附。发现随着放置Li原子数量的增加，总体系的吸附能变得越来越正。在Cu的（111）、（110）和（100）平面中，（110）平面表现出最大的吸附能，表明Li优先沉积在（110）平面而不是其他两个平面上。
图6 （a）Cu暴露（111）平面和吸附不同层Li原子后的几何形状。（b）计算得到Li原子在Cu不同晶面上的吸附能。DOI：10.1016/j.nanoen.2020.105736
原子/分子吸附能力也可以从晶体生长过程中的形态演变中推断出来。如图7，十二烷基硫酸钠（SDS）可以优先吸附到Cu2O晶体的{111}平面上并钝化这些平面。在SDS钝化{111}平面后，Cu2O晶体沿[111]方向的进一步生长被抑制，最终导致仅暴露{111}刻面的八面体晶体的形成。
类似地，当将Au纳米粒子沉积到SDS钝化的Cu2O晶体上时，随着{111}平面被钝化，Au纳米粒子优先沉积在{100}平面上。进一步说明了SDS诱导钝化对Au纳米粒子在Cu2O晶体上沉积行为的影响，其中研究了三种类型的Cu2O晶体，包括完全由{100}刻面包围的、完全由{111}刻面包围的以及具有{100}和{111}刻面共存的。
清楚地观察到，在{111}刻面上没有SDS吸附的情况下，Au纳米粒子可以沉积在Cu2O晶体的{100}和{111}平面上（图6d）。相比之下，当SDS优先吸附在{111}刻面上时，Au沉积仅发生在{100}平面上，对于仅暴露{111}刻面的Cu2O晶体，没有观察到Au沉积。
图7 吸附SDS后Cu2O晶体的形状控制和金属选择性沉积。DOI：10.1021/ja9036884
在电池运行过程中，晶体材料（包括固态电解质和电极材料）涉及跨越晶格结构的离子传导。由于其中离子的传输遵循特定的通道传导，晶体材料的取向也将决定其离子传导性。
例如，Na-β“-氧化铝，一种广泛用于高温钠硫（Na-S）电池的固体电解质，拥有垂直于晶格c轴的Na传导晶面。通过DFT计算研究了β-MnO2晶格中的锂离子转移行为（图8a）。发现锂离子插入的障碍在β-MnO2的不同晶平面上差异很大。在（101）平面上计算出>0.6eV的势垒（图8b），而在（001）平面上的值小于0.3eV（图8c）。
图8 晶体取向对离子电导率的影响。DOI：10.1021/cm303295f
晶体取向对能量转换和存储过程的关键物理化学性质有着深远的影响，包括电导率、介电常数、表面能、原子/分子吸附能力和离子电导率。这些取向驱动的物化性质直接有助于更好的电化学性能，突出了晶体取向工程在能源应用中的实用价值。
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