لماذا السيليكون صعب للغاية ولكنه هش للغاية؟

السيليكونهي بلورة ذرية، ترتبط ذراتها ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية، لتشكل بنية شبكية مكانية. في هذا الهيكل تكون الروابط التساهمية بين الذرات اتجاهية للغاية ولها طاقة رابطة عالية، مما يجعل السيليكون يظهر صلابة عالية عند مقاومة القوى الخارجية لتغيير شكله. على سبيل المثال، يتطلب الأمر قوة خارجية كبيرة لتدمير الرابطة التساهمية القوية بين الذرات.

ومع ذلك، فبالتحديد بسبب الخصائص الهيكلية المنتظمة والصلبة نسبيًا لبلورتها الذرية، عندما تتعرض لقوة تأثير كبيرة أو قوة خارجية غير متساوية، فإن الشبكة الداخليةالسيليكونمن الصعب عزل القوة الخارجية وتشتيتها من خلال التشوه المحلي، ولكنها ستتسبب في كسر الروابط التساهمية على طول بعض المستويات البلورية الضعيفة أو الاتجاهات البلورية، مما سيؤدي إلى كسر البنية البلورية بأكملها وإظهار خصائص هشة. على عكس الهياكل مثل البلورات المعدنية، هناك روابط أيونية بين ذرات المعدن يمكنها الانزلاق نسبيًا، ويمكن الاعتماد على الانزلاق بين الطبقات الذرية للتكيف مع القوى الخارجية، مما يظهر ليونة جيدة وليس من السهل كسرها هشة.

السيليكونترتبط الذرات بروابط تساهمية. جوهر الروابط التساهمية هو التفاعل القوي الذي يتكون من أزواج الإلكترونات المشتركة بين الذرات. على الرغم من أن هذه الرابطة يمكن أن تضمن استقرار وصلابةكريستال السيليكونمن الصعب على الرابطة التساهمية أن تتعافى بمجرد كسرها. عندما تتجاوز القوة التي يطبقها العالم الخارجي الحد الذي يمكن أن تتحمله الرابطة التساهمية، فسوف تنكسر الرابطة، ونظرًا لعدم وجود عوامل مثل الإلكترونات التي تتحرك بحرية كما هو الحال في المعادن للمساعدة في إصلاح الكسر، أو إعادة إنشاء الاتصال، أو تعتمد على إلغاء تمركز الإلكترونات لتشتيت الضغط، فمن السهل أن تتصدع ولا يمكنها الحفاظ على سلامتها الشاملة من خلال تعديلاتها الداخلية، مما يجعل السيليكون هشًا للغاية.

في التطبيقات العملية، غالبًا ما يكون من الصعب أن تكون مواد السيليكون نقية تمامًا، وسوف تحتوي على شوائب معينة وعيوب شبكية. قد يؤدي دمج ذرات الشوائب إلى تعطيل بنية شبكة السيليكون المنتظمة في الأصل، مما يسبب تغييرات في قوة الرابطة الكيميائية المحلية وطريقة الترابط بين الذرات، مما يؤدي إلى مناطق ضعيفة في البنية. ستصبح عيوب الشبكة (مثل الشواغر والاضطرابات) أيضًا أماكن يتركز فيها التوتر.

عندما تعمل قوى خارجية، فإن نقاط الضعف ونقاط تركيز الإجهاد هذه تكون أكثر عرضة للتسبب في كسر الروابط التساهمية، مما يتسبب في بدء مادة السيليكون في الانكسار من هذه الأماكن، مما يؤدي إلى تفاقم هشاشتها. وحتى لو اعتمدت في الأصل على الروابط التساهمية بين الذرات لبناء هيكل ذي صلابة أعلى، فمن الصعب تجنب الكسر الهش تحت تأثير القوى الخارجية.