למה הסיליקון כל כך קשה אבל כל כך שביר?

סִילִיקוֹןהוא גביש אטומי, שהאטומים שלו מחוברים זה לזה בקשרים קוולנטיים, ויוצרים מבנה רשת מרחבי. במבנה זה, הקשרים הקוולנטיים בין אטומים הם מאוד כיווניים ובעלי אנרגיית קשר גבוהה, מה שגורם לסיליקון להראות קשיות גבוהה כאשר הוא מתנגד לכוחות חיצוניים לשנות את צורתו. לדוגמה, נדרש כוח חיצוני גדול כדי להרוס את הקשר הקוולנטי החזק בין אטומים.

עם זאת, דווקא בגלל המאפיינים המבניים הקבועים והקשיחים יחסית של הגביש האטומי שלו, כאשר הוא נתון לכוח פגיעה גדול או לכוח חיצוני לא אחיד, הסריג בפניםסִילִיקוֹןקשה לחצץ ולפזר את הכוח החיצוני באמצעות דפורמציה מקומית, אך יגרום לקשרים הקוולנטיים להישבר לאורך כמה מישורי גביש חלשים או כיווני גביש, מה שיגרום לכל מבנה הגביש להישבר ולהראות מאפיינים שבירים. בניגוד למבנים כמו גבישי מתכת, ישנם קשרים יוניים בין אטומי מתכת שיכולים להחליק באופן יחסי, והם יכולים להסתמך על החלקה בין שכבות אטומיות כדי להסתגל לכוחות חיצוניים, להראות גמישות טובה ולא קל לשבור פריך.

סִילִיקוֹןאטומים מחוברים בקשרים קוולנטיים. המהות של קשרים קוולנטיים היא האינטראקציה החזקה שנוצרת על ידי זוגות האלקטרונים המשותפים בין אטומים. למרות קשר זה יכול להבטיח את היציבות והקשיחות שלקריסטל סיליקוןמבנה, קשה לקשר הקוולנטי להתאושש ברגע שהוא נשבר. כאשר הכוח המופעל על ידי העולם החיצון חורג מהגבול שהקשר הקוולנטי יכול לעמוד בו, הקשר יישבר, ומכיוון שאין גורמים כגון אלקטרונים הנעים בחופשיות כמו במתכות כדי לעזור לתקן את השבר, ליצור מחדש את הקשר, או להסתמך על דה-לוקליזציה של אלקטרונים כדי לפזר את הלחץ, קל לפיצוח ולא יכול לשמור על השלמות הכוללת באמצעות התאמות פנימיות משלו, מה שגורם לסיליקון להיות שביר מאוד.

ביישומים מעשיים, לעתים קרובות קשה לחומרי סיליקון להיות טהורים לחלוטין, ויכילו זיהומים מסוימים ופגמי סריג. שילוב של אטומי טומאה עלול לשבש את מבנה סריג הסיליקון הרגיל במקור, ולגרום לשינויים בחוזק הקשר הכימי המקומי ובאופן ההתקשרות בין האטומים, וכתוצאה מכך אזורים חלשים במבנה. פגמי סריג (כגון מקומות פנויים ונקעים) יהפכו גם למקומות שבהם מתרכז הלחץ.

כאשר כוחות חיצוניים פועלים, נקודות חלשות אלו ונקודות ריכוז מתח נוטות יותר לגרום לשבירת קשרים קוולנטיים, מה שגורם לחומר הסיליקון להתחיל להישבר ממקומות אלו, ולהחריף את שבירותו. גם אם במקור זה הסתמך על הקשרים הקוולנטיים בין אטומים לבניית מבנה בעל קשיות גבוהה יותר, קשה להימנע משבר שביר בהשפעת כוחות חיצוניים.