シリコンはなぜ硬いのに脆いのでしょうか?

シリコン原子の結晶であり、原子同士が共有結合によって結合し、空間的なネットワーク構造を形成しています。この構造では、原子間の共有結合の方向性が高く、結合エネルギーが高いため、シリコンは外力に抵抗して形状が変化したときに高い硬度を示します。たとえば、原子間の強い共有結合を破壊するには大きな外力が必要です。

しかし、原子結晶はその規則的で比較的硬い構造特性を持っているからこそ、大きな衝撃力や不均一な外力が加わると内部の格子が崩れてしまうのです。シリコン局所的な変形による外力の緩衝・分散は困難ですが、一部の弱い結晶面や結晶方向に沿って共有結合が切れ、結晶構造全体が壊れて脆い特性を示します。金属結晶などの構造とは異なり、金属原子間には相対的に滑りやすいイオン結合が存在し、原子層間の滑りに頼って外力に適応することができるため、延性に優れ、脆くなりにくい。

シリコン原子は共有結合によって接続されています。共有結合の本質は、原子間の共有電子対によって形成される強力な相互作用です。この結合により安定性と硬度が確保されますが、シリコン結晶共有結合は一度切れると元に戻りにくい構造になっています。外界から加えられる力が共有結合が耐えられる限界を超えると、結合は壊れます。また、金属のように電子が自由に移動して壊れた部分を修復したり、接続を再確立したりするための要素が存在しないためです。応力を分散させるために電子の非局在化に依存しているため、亀裂が入りやすく、シリコン自体の内部調整によって全体の完全性を維持できないため、シリコンは非常に脆くなります。

実際の用途では、シリコン材料を完全に純粋にすることは多くの場合困難であり、特定の不純物や格子欠陥が含まれることになります。不純物原子の導入により、本来の規則的なシリコン格子構造が破壊され、局所的な化学結合強度や原子間の結合モードに変化が生じ、構造内に弱い領域が生じる可能性があります。格子欠陥（空孔や転位など）も応力が集中する場所となります。

外力が作用すると、これらの弱点や応力集中点が共有結合の切断を引き起こしやすくなり、そこからシリコン材料が破壊され始め、その脆さが悪化します。もともと原子間の共有結合に依存してより高い硬度の構造を構築していたとしても、外力の衝撃による脆性破壊を避けることは困難です。