Hvorfor er silicium så hårdt, men så sprødt?

Siliciumer en atomkrystal, hvis atomer er forbundet med hinanden via kovalente bindinger og danner en rumlig netværksstruktur. I denne struktur er de kovalente bindinger mellem atomer meget retningsbestemte og har høj bindingsenergi, hvilket får silicium til at udvise høj hårdhed, når det modstår eksterne kræfter for at ændre sin form. For eksempel kræver det en stor ekstern kraft at ødelægge den stærke kovalente binding mellem atomer.

Det er imidlertid netop på grund af de regelmæssige og relativt stive strukturelle egenskaber ved dens atomkrystal, at når den udsættes for en stor slagkraft eller ujævn ydre kraft, vil gitteret indenisiliciumDet er vanskeligt at buffere og sprede den eksterne kraft gennem lokal deformation, men det vil få de kovalente bindinger til at brydes langs nogle svage krystalplaner eller krystalretninger, hvilket vil få hele krystalstrukturen til at brydes og vise sprøde egenskaber. I modsætning til strukturer som metalkrystaller er der ionbindinger mellem metalatomer, der kan glide relativt, og de kan stole på glidningen mellem atomlagene for at tilpasse sig eksterne kræfter, hvilket viser god duktilitet og ikke let at bryde sprødt.

SiliciumAtomer er forbundet med kovalente bindinger. Essensen af ​​kovalente bindinger er den stærke interaktion, der dannes af de delte elektronpar mellem atomer. Selvom denne binding kan sikre stabiliteten og hårdheden afsiliciumkrystalstruktur, er det vanskeligt for den kovalente binding at genoprette sig, når den først er brudt. Når den kraft, der påføres af omverdenen, overstiger den grænse, som den kovalente binding kan modstå, vil bindingen brydes, og fordi der ikke er faktorer, såsom frit bevægelige elektroner som i metaller, der kan hjælpe med at reparere bruddet, genetablere forbindelsen eller være afhængige af elektronernes delokalisering for at sprede spændingen, er den let at revne og kan ikke opretholde den overordnede integritet gennem sine egne interne justeringer, hvilket får silicium til at være meget sprødt.

I praktiske anvendelser er det ofte vanskeligt at gøre siliciummaterialer absolut rene, og de vil indeholde visse urenheder og gitterdefekter. Inkorporeringen af ​​urenhedsatomer kan forstyrre den oprindeligt regelmæssige siliciumgitterstruktur, hvilket forårsager ændringer i den lokale kemiske bindingsstyrke og bindingsmåden mellem atomer, hvilket resulterer i svage områder i strukturen. Gitterdefekter (såsom vakanter og dislokationer) vil også blive steder, hvor stress er koncentreret.

Når eksterne kræfter virker, er det mere sandsynligt, at disse svage punkter og spændingskoncentrationspunkter forårsager brud på kovalente bindinger, hvilket får siliciummaterialet til at begynde at brække fra disse steder og forværre dets sprødhed. Selv hvis det oprindeligt var afhængig af de kovalente bindinger mellem atomer for at opbygge en struktur med en højere hårdhed, er det vanskeligt at undgå sprødbrud under påvirkning af eksterne kræfter.