Кремнийпредставляет собой атомный кристалл, атомы которого связаны друг с другом ковалентными связями, образуя пространственную сетчатую структуру. В этой структуре ковалентные связи между атомами очень направлены и имеют высокую энергию связи, что позволяет кремнию проявлять высокую твердость при сопротивлении внешним силам, изменяющим его форму. Например, требуется большая внешняя сила, чтобы разрушить прочную ковалентную связь между атомами.
Однако именно из-за правильных и относительно жестких структурных характеристик его атомного кристалла, когда он подвергается воздействию большой ударной силы или неравномерной внешней силы, решетка внутрикремнийтрудно амортизировать и рассеять внешнюю силу за счет локальной деформации, но это приведет к разрыву ковалентных связей вдоль некоторых слабых кристаллических плоскостей или направлений кристалла, что приведет к разрушению всей кристаллической структуры и проявлению хрупких характеристик. В отличие от таких структур, как металлические кристаллы, между атомами металлов существуют ионные связи, которые могут скользить относительно, и они могут полагаться на скольжение между атомными слоями, чтобы адаптироваться к внешним силам, демонстрируя хорошую пластичность и не легко разрушаясь.
Кремнийатомы соединены ковалентными связями. Сущность ковалентных связей заключается в сильном взаимодействии, образуемом общими электронными парами между атомами. Хотя эта связь может обеспечить стабильность и твердостькремниевый кристаллструктуре ковалентной связи трудно восстановиться после ее разрыва. Когда сила, приложенная внешним миром, превышает предел, который может выдержать ковалентная связь, связь разрывается, и поскольку нет таких факторов, как свободно движущиеся электроны, как в металлах, которые могли бы помочь восстановить разрыв, восстановить соединение или полагаться на делокализацию электронов для рассеивания напряжения, он легко треснет и не может поддерживать общую целостность за счет собственных внутренних настроек, что делает кремний очень хрупким.
В практических приложениях кремниевые материалы часто трудно обеспечить абсолютной чистотой, они содержат определенные примеси и дефекты решетки. Внедрение атомов примесей может разрушить первоначально регулярную структуру решетки кремния, вызывая изменения в локальной прочности химической связи и режиме связи между атомами, что приводит к образованию слабых участков в структуре. Дефекты решетки (такие как вакансии и дислокации) также станут местами концентрации напряжений.
Когда действуют внешние силы, эти слабые места и точки концентрации напряжений с большей вероятностью вызывают разрыв ковалентных связей, в результате чего кремниевый материал начинает разрушаться в этих местах, усугубляя его хрупкость. Даже если изначально для построения структуры более высокой твердости использовались ковалентные связи между атомами, трудно избежать хрупкого разрушения под воздействием внешних сил.
Время публикации: 10 декабря 2024 г.