Warum ist Silizium so hart, aber so spröde?

Siliziumist ein Atomkristall, dessen Atome durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind und eine räumliche Netzwerkstruktur bilden. In dieser Struktur sind die kovalenten Bindungen zwischen Atomen sehr gerichtet und weisen eine hohe Bindungsenergie auf, was dazu führt, dass Silizium eine hohe Härte aufweist, wenn es äußeren Kräften widersteht, die seine Form ändern. Beispielsweise ist eine große äußere Kraft erforderlich, um die starke kovalente Bindung zwischen Atomen zu zerstören.

Doch gerade aufgrund der regelmäßigen und relativ starren Struktureigenschaften seines Atomkristalls wird das Gitter im Inneren zerstört, wenn es einer großen Stoßkraft oder einer ungleichmäßigen äußeren Kraft ausgesetzt wirdSiliziumEs ist schwierig, die äußere Kraft durch lokale Verformung abzufedern und zu zerstreuen, aber es führt dazu, dass die kovalenten Bindungen entlang einiger schwacher Kristallebenen oder Kristallrichtungen brechen, was dazu führt, dass die gesamte Kristallstruktur bricht und spröde Eigenschaften zeigt. Im Gegensatz zu Strukturen wie Metallkristallen gibt es Ionenbindungen zwischen Metallatomen, die relativ gleiten können, und sie können sich auf das Gleiten zwischen Atomschichten verlassen, um sich an äußere Kräfte anzupassen. Sie weisen eine gute Duktilität auf und sind nicht leicht zu spröden.

SiliziumAtome sind durch kovalente Bindungen verbunden. Das Wesen kovalenter Bindungen ist die starke Wechselwirkung, die durch die gemeinsamen Elektronenpaare zwischen Atomen entsteht. Obwohl diese Bindung die Stabilität und Härte des gewährleisten kannSiliziumkristallStruktur ist es für die kovalente Bindung schwierig, sich nach dem Aufbrechen wiederherzustellen. Wenn die von der Außenwelt ausgeübte Kraft die Grenze überschreitet, der die kovalente Bindung standhalten kann, bricht die Bindung, und da es keine Faktoren wie frei bewegliche Elektronen wie in Metallen gibt, die helfen könnten, den Bruch zu reparieren, die Verbindung wiederherzustellen usw Da Silizium auf der Delokalisierung von Elektronen beruht, um die Spannung zu zerstreuen, kann es leicht reißen und kann die Gesamtintegrität nicht durch seine eigenen internen Anpassungen aufrechterhalten, was dazu führt, dass Silizium sehr spröde wird.

In praktischen Anwendungen ist es oft schwierig, Siliziummaterialien absolut rein zu halten, und sie enthalten bestimmte Verunreinigungen und Gitterfehler. Der Einbau von Verunreinigungsatomen kann die ursprünglich regelmäßige Silizium-Gitterstruktur zerstören, was zu Veränderungen der lokalen chemischen Bindungsstärke und des Bindungsmodus zwischen Atomen führt, was zu schwachen Bereichen in der Struktur führt. Auch Gitterdefekte (wie Leerstellen und Versetzungen) werden zu Orten, an denen sich Spannungen konzentrieren.

Wenn äußere Kräfte einwirken, ist es wahrscheinlicher, dass diese Schwachstellen und Spannungskonzentrationspunkte zum Aufbrechen kovalenter Bindungen führen, was dazu führt, dass das Siliziummaterial an diesen Stellen zu brechen beginnt, was seine Sprödigkeit verschlimmert. Auch wenn man ursprünglich auf kovalenten Bindungen zwischen Atomen beruhte, um eine Struktur mit höherer Härte aufzubauen, ist es schwierig, Sprödbrüche unter dem Einfluss äußerer Kräfte zu vermeiden.