Zakaj je silicij tako trd, a tako krhek?

Silicijje atomski kristal, katerega atomi so med seboj povezani s kovalentnimi vezmi in tvorijo prostorsko mrežno strukturo. V tej strukturi so kovalentne vezi med atomi zelo usmerjene in imajo visoko energijo vezi, zaradi česar silicij kaže visoko trdoto, ko se upira zunanjim silam, da spremenijo svojo obliko. Na primer, potrebna je velika zunanja sila, da uniči močno povezavo kovalentne vezi med atomi.

Vendar pa ravno zaradi pravilnih in razmeroma togih strukturnih značilnosti njegovega atomskega kristala, ko je izpostavljen veliki udarni sili ali neenakomerni zunanji sili, mreža znotrajsilicijje težko ublažiti in razpršiti zunanjo silo z lokalno deformacijo, vendar bo povzročil pretrganje kovalentnih vezi vzdolž nekaterih šibkih kristalnih ravnin ali kristalnih smeri, kar bo povzročilo zlom celotne kristalne strukture in pokazale krhke lastnosti. Za razliko od struktur, kot so kovinski kristali, obstajajo ionske vezi med kovinskimi atomi, ki lahko relativno drsijo, in se lahko zanašajo na drsenje med atomskimi plastmi, da se prilagodijo zunanjim silam, kar kaže dobro duktilnost in ni enostavno zlomiti krhkosti.

Silicijatomi so povezani s kovalentnimi vezmi. Bistvo kovalentnih vezi je močna interakcija, ki jo tvorijo skupni elektronski pari med atomi. Čeprav lahko ta vez zagotovi stabilnost in trdotosilicijev kristalstruktura, se kovalentna vez po prekinitvi težko obnovi. Ko sila, ki jo uporablja zunanji svet, preseže mejo, ki jo kovalentna vez lahko prenese, se bo vez pretrgala in ker ni dejavnikov, kot so prosto gibljivi elektroni, kot v kovinah, ki bi pomagali popraviti pretrganje, ponovno vzpostaviti povezavo ali se zanaša na delokalizacijo elektronov za razpršitev napetosti, je lahko počiti in ne more ohraniti celotne celovitosti z lastnimi notranjimi prilagoditvami, zaradi česar je silicij zelo krhek.

V praktičnih aplikacijah je silicijeve materiale pogosto težko absolutno čiste in bodo vsebovale določene nečistoče in napake v mreži. Vključitev atomov nečistoč lahko poruši prvotno pravilno strukturo silicijeve mreže, kar povzroči spremembe v lokalni trdnosti kemične vezi in načinu vezave med atomi, kar ima za posledico šibka področja v strukturi. Napake v rešetki (kot so prazna mesta in dislokacije) bodo prav tako postale mesta, kjer je napetost koncentrirana.

Ko delujejo zunanje sile, obstaja večja verjetnost, da bodo te šibke točke in točke koncentracije napetosti povzročile prekinitev kovalentnih vezi, zaradi česar se bo silicijev material začel lomiti s teh mest, kar bo poslabšalo njegovo krhkost. Tudi če se je prvotno zanašal na kovalentne vezi med atomi za izgradnjo strukture z višjo trdoto, se je težko izogniti krhkemu zlomu pod vplivom zunanjih sil.