Hvorfor er silicium så hårdt, men så skørt?

Siliciumer en atomisk krystal, hvis atomer er forbundet med hinanden ved hjælp af kovalente bindinger, der danner en rumlig netværksstruktur. I denne struktur er de kovalente bindinger mellem atomer meget retningsbestemte og har høj bindingsenergi, hvilket gør, at silicium viser høj hårdhed, når det modstår eksterne kræfter for at ændre form. For eksempel kræver det en stor ekstern kraft at ødelægge den stærke kovalente bindingsforbindelse mellem atomer.

Men det er netop på grund af dens atomare krystals regelmæssige og relativt stive strukturelle karakteristika, at når den udsættes for en stor slagkraft eller ujævn ydre kraft, vil gitteret indenisiliciumer vanskeligt at buffere og sprede den ydre kraft gennem lokal deformation, men vil få de kovalente bindinger til at bryde langs nogle svage krystalplaner eller krystalretninger, hvilket vil få hele krystalstrukturen til at bryde og vise sprøde karakteristika. I modsætning til strukturer såsom metalkrystaller, er der ioniske bindinger mellem metalatomer, der kan glide relativt, og de kan stole på, at glidningen mellem atomare lag tilpasser sig eksterne kræfter, viser god duktilitet og ikke let at bryde skøre.

Siliciumatomer er forbundet med kovalente bindinger. Essensen af ​​kovalente bindinger er den stærke vekselvirkning dannet af de delte elektronpar mellem atomer. Selvom denne binding kan sikre stabiliteten og hårdheden afsilicium krystalstruktur, er det svært for den kovalente binding at komme sig, når den først er brudt. Når kraften påført af omverdenen overstiger grænsen, som den kovalente binding kan modstå, vil bindingen bryde, og fordi der ikke er nogen faktorer, såsom frit bevægende elektroner som i metaller, der hjælper med at reparere bruddet, genetablere forbindelsen eller stole på delokalisering af elektroner for at sprede stress, er det let at knække og kan ikke opretholde den overordnede integritet gennem sine egne interne justeringer, hvilket får silicium til at være meget skørt.

I praktiske applikationer er siliciummaterialer ofte vanskelige at være absolut rene og vil indeholde visse urenheder og gitterdefekter. Inkorporeringen af ​​urenhedsatomer kan forstyrre den oprindeligt regelmæssige siliciumgitterstruktur, hvilket forårsager ændringer i den lokale kemiske bindingsstyrke og bindingsmåden mellem atomer, hvilket resulterer i svage områder i strukturen. Gitterdefekter (såsom ledige stillinger og forskydninger) vil også blive steder, hvor stress er koncentreret.

Når eksterne kræfter virker, er disse svage punkter og spændingskoncentrationspunkter mere tilbøjelige til at forårsage brydning af kovalente bindinger, hvilket får siliciummaterialet til at begynde at bryde fra disse steder, hvilket forværrer dets skørhed. Selvom det oprindeligt var afhængigt af de kovalente bindinger mellem atomer for at bygge en struktur med en højere hårdhed, er det svært at undgå skørt brud under påvirkning af eksterne kræfter.