Warum ist Silizium so hart, aber so spröde?

Siliziumist ein Atomkristall, dessen Atome durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind und eine räumliche Netzwerkstruktur bilden. In dieser Struktur sind die kovalenten Bindungen zwischen den Atomen stark gerichtet und weisen eine hohe Bindungsenergie auf. Dadurch weist Silizium eine hohe Härte auf, wenn es äußeren Kräften widersteht, die seine Form verändern. Beispielsweise bedarf es einer großen äußeren Kraft, um die starke kovalente Bindung zwischen Atomen zu zerstören.

Es liegt jedoch gerade an den regelmäßigen und relativ starren Struktureigenschaften seines Atomkristalls, dass das Gitter im Inneren, wenn es einer großen Stoßkraft oder einer ungleichmäßigen äußeren Kraft ausgesetzt wird,SiliziumEs ist schwierig, die äußere Kraft durch lokale Verformung zu puffern und zu verteilen, führt jedoch dazu, dass die kovalenten Bindungen entlang einiger schwacher Kristallebenen oder Kristallrichtungen brechen, was dazu führt, dass die gesamte Kristallstruktur bricht und spröde Eigenschaften aufweist. Im Gegensatz zu Strukturen wie Metallkristallen gibt es ionische Bindungen zwischen Metallatomen, die relativ gleiten können, und sie können sich auf das Gleiten zwischen Atomschichten verlassen, um sich an äußere Kräfte anzupassen, zeigen eine gute Duktilität und brechen nicht so leicht spröde.

SiliziumAtome sind durch kovalente Bindungen verbunden. Das Wesen kovalenter Bindungen ist die starke Wechselwirkung, die durch die gemeinsamen Elektronenpaare zwischen Atomen entsteht. Obwohl diese Bindung die Stabilität und Härte desSiliziumkristallStrukturell ist es schwierig, die kovalente Bindung wiederherzustellen, sobald sie gebrochen ist. Wenn die von außen ausgeübte Kraft die Grenze überschreitet, der die kovalente Bindung standhalten kann, bricht die Bindung. Da es keine Faktoren wie frei bewegliche Elektronen wie in Metallen gibt, die helfen, den Bruch zu reparieren, die Verbindung wiederherzustellen oder sich auf die Delokalisierung von Elektronen zu verlassen, um die Spannung zu verteilen, bricht sie leicht und kann die Gesamtintegrität nicht durch eigene interne Anpassungen aufrechterhalten, was Silizium sehr spröde macht.

In der Praxis ist es oft schwierig, absolute Reinheit von Siliziummaterialien zu erreichen, da diese Verunreinigungen und Gitterfehler aufweisen. Der Einbau von Fremdatomen kann die ursprünglich regelmäßige Siliziumgitterstruktur zerstören und so die lokale chemische Bindungsstärke und den Bindungsmodus zwischen Atomen verändern, was zu Schwachstellen in der Struktur führt. Gitterfehler (wie Leerstellen und Versetzungen) führen zudem zu Spannungskonzentrationen.

Bei Einwirkung äußerer Kräfte führen diese Schwachstellen und Spannungskonzentrationen eher zum Bruch kovalenter Bindungen. Dadurch beginnt das Siliziummaterial an diesen Stellen zu brechen, was seine Sprödigkeit verstärkt. Selbst wenn ursprünglich die kovalenten Bindungen zwischen Atomen zum Aufbau einer Struktur mit höherer Härte genutzt wurden, lässt sich ein Sprödbruch unter Einwirkung äußerer Kräfte nur schwer vermeiden.