Bakit ang silicon ay napakatigas ngunit napakarupok?

Siliconay isang atomic na kristal, na ang mga atomo ay konektado sa isa't isa sa pamamagitan ng mga covalent bond, na bumubuo ng isang spatial na istraktura ng network. Sa istrukturang ito, ang mga covalent bond sa pagitan ng mga atomo ay napaka-direksyon at may mataas na enerhiya ng bono, na gumagawa ng silikon na nagpapakita ng mataas na katigasan kapag lumalaban sa mga panlabas na puwersa upang baguhin ang hugis nito. Halimbawa, nangangailangan ng malaking panlabas na puwersa upang sirain ang malakas na koneksyon ng covalent bond sa pagitan ng mga atomo.

Gayunpaman, ito ay tiyak dahil sa regular at medyo matibay na mga katangian ng istruktura ng atomic na kristal nito na kapag ito ay sumailalim sa isang malaking puwersa ng epekto o hindi pantay na panlabas na puwersa, ang sala-sala sa loobsilikonay mahirap i-buffer at ikalat ang panlabas na puwersa sa pamamagitan ng lokal na pagpapapangit, ngunit magiging sanhi ng mga covalent bond na masira kasama ang ilang mahinang kristal na eroplano o kristal na direksyon, na magiging sanhi ng buong kristal na istraktura upang masira at magpakita ng mga malutong na katangian. Hindi tulad ng mga istruktura tulad ng mga metal na kristal, may mga ionic na bono sa pagitan ng mga atomo ng metal na maaaring mag-slide nang medyo, at maaari silang umasa sa pag-slide sa pagitan ng mga layer ng atom upang umangkop sa mga panlabas na puwersa, na nagpapakita ng mahusay na ductility at hindi madaling masira malutong.

Siliconang mga atom ay konektado sa pamamagitan ng mga covalent bond. Ang kakanyahan ng mga covalent bond ay ang malakas na pakikipag-ugnayan na nabuo sa pamamagitan ng ibinahaging mga pares ng elektron sa pagitan ng mga atomo. Bagama't masisiguro ng bono na ito ang katatagan at katigasan ngsilikon na kristalistraktura, mahirap para sa covalent bond na mabawi kapag ito ay nasira. Kapag ang puwersa na inilapat ng labas ng mundo ay lumampas sa limitasyon na maaaring mapaglabanan ng covalent bond, ang bono ay masisira, at dahil walang mga salik tulad ng malayang paglipat ng mga electron tulad ng sa mga metal upang makatulong na ayusin ang nasira, muling maitatag ang koneksyon, o umaasa sa delokalisasi ng mga electron upang ikalat ang stress, madali itong ma-crack at hindi mapanatili ang pangkalahatang integridad sa pamamagitan ng sarili nitong mga panloob na pagsasaayos, na nagiging sanhi ng silikon na maging lubhang malutong.

Sa mga praktikal na aplikasyon, ang mga materyal na silikon ay kadalasang mahirap maging ganap na dalisay, at maglalaman ng ilang mga impurities at mga depekto sa sala-sala. Ang pagsasama ng mga impurity atoms ay maaaring makagambala sa orihinal na regular na silicon lattice na istraktura, na magdulot ng mga pagbabago sa lokal na chemical bond strength at ang bonding mode sa pagitan ng mga atom, na nagreresulta sa mga mahihinang bahagi sa structure. Ang mga depekto sa sala-sala (tulad ng mga bakante at dislokasyon) ay magiging mga lugar kung saan puro stress.

Kapag kumikilos ang mga panlabas na pwersa, ang mga mahihinang lugar na ito at mga punto ng konsentrasyon ng stress ay mas malamang na maging sanhi ng pagkasira ng mga covalent bond, na nagiging sanhi ng pagsisimula ng materyal ng silikon mula sa mga lugar na ito, na nagpapalala sa pagkasira nito. Kahit na ito ay orihinal na umasa sa mga covalent bond sa pagitan ng mga atomo upang bumuo ng isang istraktura na may mas mataas na tigas, mahirap maiwasan ang malutong na bali sa ilalim ng epekto ng mga panlabas na puwersa.