固态化学研究固体材料的合成、结构和性能，构成材料科学的基础。晶体固体的特征是原子、离子或分子在三维空间中周期性排列。最小的重复单元是晶胞，由三个晶格向量（a、b、c）和它们之间的角度（α、β、γ）定义。有七种晶系（立方晶系、四方晶系、斜方晶系、六方晶系、菱形晶系、单斜晶系、三斜晶系）和十四种布拉维晶格，描述了所有可能的平移对称排列。晶格类型和基础（与每个晶格点相关的原子或原子团）的组合决定了完整的晶体结构。

紧密包装和间隙站点

许多固体结构都是基于球体的密堆积排列。在六方密堆积 (hcp) 中，各层以 ABAB 模式堆叠，而立方密堆积 (ccp，也称为面心立方，fcc) 则遵循 ABCABC 模式。两者都实现了 74% 的填充效率，每个球体由 12 个最近的邻居协调。其余 26% 的空间由两种类型的间隙位点组成：四面体孔（由 4 个原子配位）和八面体孔（由 6 个原子配位）。在 ccp 中，每个晶胞有 8 个四面体和 4 个八面体孔。这些位点的占据决定了许多离子和金属间化合物的化学计量。例如，在尖晶石结构（“AB2O4”）中，A 占据四面体位点，B 占据 ccp 氧化物阵列中的八面体位点。

离子结构

离子化合物以特征结构结晶，使静电吸引力最大化，同时排斥力最小化。岩盐 (NaCl) 结构由阳离子和阴离子的互穿面心立方晶格组成，每个离子均呈八面体配位（配位数 6）。 CsCl 结构基于一种离子的简单立方晶格，另一种离子位于体中心（配位数 8）。在闪锌矿 (ZnS) 中，硫化物离子形成 ccp 阵列，其中 Zn²⁺ 占据四面体孔的一半（配位数 4）。纤锌矿是 ZnS 的六方类似物。萤石结构（‘CaF2’）在 ccp 中具有 Ca2⁺，F⁻ 占据所有四面体位点，而反萤石结构则反转离子位置（例如，‘Li2O’）。这些结构类型受半径比规则控制：比率“r_+/r_-”预测首选配位数。

晶体固体的缺陷

真正的晶体含有深刻影响其物理和化学性质的缺陷。点缺陷包括空位（缺失的原子）、填隙（通常未占据的位点上有多余的原子）和替代杂质。肖特基缺陷由成对的阳离子和阴离子空位组成，保持电荷中性和化学计量，这在氯化钠等高离子化合物中很常见。弗兰克尔缺陷涉及阳离子从其晶格位点移动到间隙位点，留下空位，这是典型的离子较少的化合物（如“AgCl”）。这些固有缺陷的浓度随温度呈指数增加。线缺陷（位错）对于理解机械性能至关重要：边缘位错涉及额外的原子半平面，而螺旋位错会产生螺旋变形。晶界、孪晶界和堆垛层错是影响扩散和反应性的平面缺陷的例子。

能带理论：导体、半导体和绝缘体

能带理论将分子轨道理论扩展到扩展固体。原子轨道结合形成晶体轨道，晶体轨道在整个晶体上离域并形成由带隙分隔的能带（“E_g”）。在导体（金属）中，费米能级位于能带内，允许电子在施加的电场下自由移动。在绝缘体中，价带被完全占据，并通过大的“E_g”（> 3 eV）与空导带分开。半导体具有中间“E_g”值（0.5-3 eV），可以通过掺杂来控制电导率。掺杂涉及有意引入杂质：n型掺杂添加富电子原子（例如Si中的P），而p型掺杂添加缺电子原子（例如Si中的B）。 p-n 结形成于 p 型和 n 型半导体的界面处，是二极管、晶体管和太阳能电池的基本组成部分。

超导和先进材料

超导是临界温度（“T_c”）以下电阻为零的现象。传统超导体（例如 NbTi，“T_c ≈ 10 K”）由 BCS 理论解释，其中电子通过晶格振动（声子）形成库珀对。高温超导体，例如铜酸盐（例如YBa2Cu₃O_{7-δ}、T_c ≈ 92 K）包含层状钙钛矿结构，其中具有超导性所必需的“CuO2”平面。钙钛矿（“ABO₃”）是一种用途非常广泛的结构族，具有铁电性（“BaTiO₃”）、压电性（“PZT”）、磁性和超导性。沸石是具有明确通道和空腔的微孔铝硅酸盐，广泛用作分子筛、催化剂和离子交换剂。金属有机框架（MOF）将这一概念扩展到具有极高表面积、可调孔径以及在气体储存、分离和催化方面的应用的混合材料。