لماذا يكون السيليكون صلباً جداً ولكنه هش جداً؟

السيليكونالسيليكون بلورة ذرية، ترتبط ذراتها ببعضها بروابط تساهمية، مُشكّلةً بنية شبكية فراغية. في هذه البنية، تكون الروابط التساهمية بين الذرات شديدة التوجيه وذات طاقة رابطة عالية، مما يُكسب السيليكون صلابة عالية عند مقاومته للقوى الخارجية التي تُغيّر شكله. على سبيل المثال، يتطلب الأمر قوة خارجية كبيرة لكسر الرابطة التساهمية القوية بين الذرات.

ومع ذلك، فإنه بسبب الخصائص الهيكلية المنتظمة والصلبة نسبيًا لبلورتها الذرية، عندما تتعرض لقوة صدم كبيرة أو قوة خارجية غير متساوية، فإن الشبكة الداخليةالسيليكونيصعب امتصاص القوة الخارجية وتوزيعها عبر التشوه الموضعي، مما يؤدي إلى كسر الروابط التساهمية على طول بعض مستويات البلورة الضعيفة أو اتجاهاتها، الأمر الذي يتسبب في انهيار البنية البلورية بأكملها وظهور خصائص هشة. على عكس هياكل مثل البلورات المعدنية، توجد روابط أيونية بين ذرات المعدن قابلة للانزلاق نسبيًا، ويمكنها الاعتماد على الانزلاق بين الطبقات الذرية للتكيف مع القوى الخارجية، مما يمنحها مرونة جيدة ويجعلها أقل عرضة للكسر الهش.

السيليكونترتبط الذرات بروابط تساهمية. جوهر الروابط التساهمية هو التفاعل القوي الناتج عن أزواج الإلكترونات المشتركة بين الذرات. على الرغم من أن هذه الرابطة تضمن استقرار وصلابة المادة،بلورة السيليكونبسبب بنيته، يصعب على الرابطة التساهمية أن تستعيد شكلها بعد انكسارها. فعندما تتجاوز القوة الخارجية المؤثرة عليه قدرة الرابطة التساهمية على التحمل، فإنها تنكسر. ونظرًا لعدم وجود عوامل مساعدة، كالإلكترونات الحرة الحركة كما في المعادن، لإصلاح الانكسار أو إعادة تكوين الرابطة أو الاعتماد على عدم تمركز الإلكترونات لتوزيع الإجهاد، يصبح السيليكون عرضةً للتشقق، ولا يستطيع الحفاظ على سلامته العامة من خلال آلياته الداخلية، مما يجعله شديد الهشاشة.

في التطبيقات العملية، يصعب غالبًا الحصول على مواد السيليكون نقية تمامًا، إذ تحتوي على شوائب وعيوب في بنيتها البلورية. قد يؤدي وجود ذرات الشوائب إلى تعطيل بنية السيليكون المنتظمة، مما يُحدث تغييرات في قوة الروابط الكيميائية المحلية ونمط الترابط بين الذرات، وبالتالي ظهور مناطق ضعيفة في البنية. كما تُصبح عيوب الشبكة البلورية (مثل الفراغات والانخلاعات) مواضع لتركيز الإجهاد.

عند تعرضها لقوى خارجية، تزداد احتمالية تسبب نقاط الضعف هذه ونقاط تركيز الإجهاد في كسر الروابط التساهمية، مما يؤدي إلى بدء تكسر مادة السيليكون من هذه المواضع، وبالتالي تفاقم هشاشتها. حتى لو كانت تعتمد في الأصل على الروابط التساهمية بين الذرات لبناء بنية ذات صلابة عالية، فمن الصعب تجنب الكسر الهش تحت تأثير القوى الخارجية.