De nombreux solides et certains liquides cristallins ont un arrangement tridimensionnel régulier et répétitif d’atomes connu sous le nom de structure cristalline ou réseau cristallin. En revanche, un solide amorphe est un type de matériau solide, tel que le verre, qui n’a pas une structure répétitive à longue portée. De nombreuses propriétés physiques, optiques et électriques des solides ou des liquides cristallins sont étroitement liées à la structure cristalline. Les unités répétitives d’une structure cristalline, constituées de petites boîtes ou d’autres formes tridimensionnelles, sont appelées cellules. Beaucoup de ces cellules sont regroupées dans une structure répétitive et ordonnée pour constituer la structure globale.
La structure cristalline d’un matériau cristallin donné peut affecter bon nombre des propriétés globales de ce matériau. C’est l’un des facteurs déterminants majeurs affectant les propriétés optiques du matériau, par exemple. La structure cristalline affecte également de manière significative la réactivité du matériau cristallin, car elle détermine la disposition des atomes réactifs sur les bords extérieurs et les faces du solide ou du liquide cristallin. D’autres caractéristiques importantes des matériaux, y compris les propriétés électriques et magnétiques de certains matériaux, sont également largement déterminées par la structure cristalline.
Les minéralogistes, cristallographes, chimistes et physiciens étudient souvent les matériaux cristallins en laboratoire. Certains aspects simples des structures cristallines peuvent être déterminés par des mesures géométriques simples, mais diverses méthodes basées sur la diffraction des rayons X, des neutrons, des électrons ou d’autres particules permettent des déterminations beaucoup plus faciles et plus précises de la structure. Certains chercheurs ne s’intéressent qu’à déterminer la structure d’un matériau cristallin donné, tandis que d’autres s’intéressent davantage à déterminer comment cette structure se connecte aux autres propriétés du matériau. D’autres chercheurs encore sont intéressés à trouver des applications utiles pour divers matériaux en fonction de leurs structures, et certains essaient même de synthétiser de nouveaux solides et liquides cristallins en fonction des propriétés attendues de leurs structures souhaitées.
Il convient de noter que, bien que les matériaux cristallins théoriques soient composés d’une série parfaite et cohérente d’unités répétées, les vrais cristaux ont tendance à avoir des défauts. Ces défauts sont, dans la plupart des cas, simplement des irrégularités dans la structure cristalline par ailleurs régulière. Dans certains cas, cela se produit lorsqu’un atome prend une place différente dans une structure cristalline donnée qu’il ne le ferait normalement. Les différentes propriétés de cet atome peuvent avoir des impacts substantiels sur la façon dont les unités structurelles du cristal s’organisent autour de lui. De même, les défauts ou irrégularités des cristaux réels peuvent avoir des impacts importants sur les propriétés globales du matériau cristallin.