چرا سیلیکون اینقدر سخت اما شکننده است؟

سیلیکونیک کریستال اتمی است که اتم های آن توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده و ساختار شبکه فضایی را تشکیل می دهند. در این ساختار، پیوندهای کووالانسی بین اتم ها بسیار جهت دار بوده و انرژی پیوند بالایی دارند که باعث می شود سیلیکون هنگام مقاومت در برابر نیروهای خارجی برای تغییر شکل، سختی بالایی از خود نشان دهد. برای مثال، برای از بین بردن پیوند قوی کووالانسی بین اتم ها، نیروی خارجی زیادی لازم است.

با این حال، دقیقاً به دلیل ویژگی‌های ساختاری منظم و نسبتاً صلب کریستال اتمی آن است که وقتی تحت یک نیروی ضربه بزرگ یا نیروی خارجی ناهموار قرار می‌گیرد، شبکه درونسیلیکونبافر کردن و پراکنده کردن نیروی خارجی از طریق تغییر شکل موضعی دشوار است، اما باعث می‌شود پیوندهای کووالانسی در امتداد برخی از صفحات کریستالی ضعیف یا جهت‌های کریستالی شکسته شوند که باعث می‌شود کل ساختار کریستالی شکسته شود و ویژگی‌های شکننده نشان دهد. برخلاف ساختارهایی مانند کریستال های فلزی، پیوندهای یونی بین اتم های فلز وجود دارد که می توانند به طور نسبی بلغزند و می توانند به لغزش بین لایه های اتمی برای انطباق با نیروهای خارجی تکیه کنند، شکل پذیری خوبی از خود نشان می دهند و به راحتی شکسته نمی شوند.

سیلیکوناتم ها با پیوندهای کووالانسی به هم متصل می شوند. جوهر پیوندهای کووالانسی برهمکنش قوی است که توسط جفت الکترون های مشترک بین اتم ها ایجاد می شود. اگرچه این پیوند می تواند پایداری و سختی را تضمین کندکریستال سیلیکونساختار، بازیابی پیوند کووالانسی پس از شکستن آن دشوار است. هنگامی که نیروی اعمال شده توسط دنیای خارج از حدی که پیوند کووالانسی می تواند تحمل کند فراتر رود، پیوند شکسته می شود و چون هیچ عاملی مانند حرکت آزادانه الکترون ها مانند فلزات وجود ندارد که به ترمیم گسست، برقراری مجدد اتصال یا برای پراکنده کردن تنش به تغییر مکان الکترون ها تکیه کنید، شکستن آن آسان است و نمی تواند یکپارچگی کلی را از طریق تنظیمات داخلی خود حفظ کند و باعث می شود سیلیکون بسیار شکننده باشد.

در کاربردهای عملی، خالص بودن مواد سیلیکونی اغلب دشوار است و حاوی ناخالصی‌ها و عیوب شبکه هستند. ادغام اتم های ناخالصی ممکن است ساختار اصلی شبکه سیلیکونی منظم را مختل کند و باعث تغییر در استحکام باند شیمیایی محلی و حالت پیوند بین اتم ها شود و در نتیجه مناطق ضعیفی در ساختار ایجاد شود. عیوب شبکه (مانند جای خالی و جابجایی) نیز به مکان هایی تبدیل می شوند که استرس متمرکز می شود.

هنگامی که نیروهای خارجی وارد عمل می شوند، این نقاط ضعیف و نقاط تمرکز تنش به احتمال زیاد باعث شکستن پیوندهای کووالانسی می شوند و باعث می شوند که مواد سیلیکونی از این مکان ها شروع به شکستن کنند و شکنندگی آن را تشدید کنند. حتی اگر در ابتدا به پیوندهای کووالانسی بین اتم ها برای ساختن ساختاری با سختی بالاتر متکی بود، جلوگیری از شکستگی شکننده تحت تأثیر نیروهای خارجی دشوار است.