ทำไมซิลิคอนถึงแข็งแต่เปราะ?

ซิลิคอนเป็นผลึกอะตอมซึ่งอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ก่อตัวเป็นโครงสร้างเครือข่ายเชิงพื้นที่ ในโครงสร้างนี้พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมมีทิศทางมากและมีพลังงานพันธะสูง ซึ่งทำให้ซิลิคอนมีความแข็งสูงเมื่อต้านทานแรงภายนอกจนเปลี่ยนรูปร่าง ตัวอย่างเช่น ต้องใช้แรงภายนอกขนาดใหญ่ในการทำลายการเชื่อมต่อพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งระหว่างอะตอม

อย่างไรก็ตาม เป็นเพราะลักษณะทางโครงสร้างที่ค่อนข้างสม่ำเสมอและค่อนข้างแข็งของอะตอมคริสตัลนั่นเอง เมื่อตกอยู่ภายใต้แรงกระแทกขนาดใหญ่หรือแรงภายนอกที่ไม่สม่ำเสมอ โครงสร้างตาข่ายด้านในซิลิคอนยากที่จะกันกระแทกและกระจายแรงภายนอกผ่านการเสียรูปเฉพาะที่ แต่จะส่งผลให้พันธะโควาเลนต์แตกไปตามระนาบผลึกที่อ่อนแอหรือทิศทางของผลึก ซึ่งจะทำให้โครงสร้างผลึกทั้งหมดแตกหักและแสดงลักษณะที่เปราะ ต่างจากโครงสร้างเช่นคริสตัลโลหะตรงที่มีพันธะไอออนิกระหว่างอะตอมของโลหะที่สามารถเลื่อนได้ค่อนข้างมาก และสามารถพึ่งพาการเลื่อนระหว่างชั้นอะตอมเพื่อปรับให้เข้ากับแรงภายนอก แสดงความเหนียวดีและไม่แตกหักง่าย

ซิลิคอนอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ สาระสำคัญของพันธะโควาเลนต์คือปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงซึ่งเกิดขึ้นจากคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันระหว่างอะตอม แม้ว่าพันธะนี้สามารถรับประกันความมั่นคงและความแข็งของคริสตัลซิลิคอนโครงสร้างพันธะโควาเลนต์จะฟื้นตัวได้ยากเมื่อถูกทำลาย เมื่อแรงที่โลกภายนอกใช้เกินขีดจำกัดที่พันธะโควาเลนต์สามารถต้านทานได้ พันธะจะแตกหัก และเนื่องจากไม่มีปัจจัยเช่นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระเช่นในโลหะมาช่วยซ่อมแซมการแตกหัก สร้างการเชื่อมต่อใหม่ หรือ อาศัยการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเพื่อกระจายความเครียด แตกง่าย และไม่สามารถรักษาความสมบูรณ์โดยรวมได้ด้วยการปรับภายในของตัวเอง ทำให้ซิลิคอนเปราะมาก

ในการใช้งานจริง วัสดุซิลิกอนมักจะบริสุทธิ์ได้ยาก และจะมีสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องขัดแตะอยู่บ้าง การรวมตัวของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์อาจรบกวนโครงสร้างโครงตาข่ายซิลิคอนปกติเดิม ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความแข็งแรงของพันธะเคมีในท้องถิ่นและรูปแบบพันธะระหว่างอะตอม ส่งผลให้เกิดพื้นที่ที่อ่อนแอในโครงสร้าง ข้อบกพร่องขัดแตะ (เช่น ตำแหน่งว่างและความคลาดเคลื่อน) ก็จะกลายเป็นจุดที่ความเครียดกระจุกตัวเช่นกัน

เมื่อแรงภายนอกกระทำ จุดอ่อนและจุดรวมความเครียดเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการแตกหักของพันธะโควาเลนต์ ทำให้วัสดุซิลิกอนเริ่มแตกออกจากจุดเหล่านี้ และทำให้ความเปราะบางรุนแรงขึ้น แม้ว่าเดิมทีจะต้องอาศัยพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีความแข็งสูงกว่า แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะหลีกเลี่ยงการแตกหักที่เปราะภายใต้แรงกระแทกของแรงภายนอก