Pourquoi le silicium est-il si dur mais si cassant ?

SiliciumC'est un cristal atomique dont les atomes sont reliés entre eux par des liaisons covalentes, formant une structure en réseau spatial. Dans cette structure, les liaisons covalentes entre les atomes sont très directionnelles et possèdent une énergie de liaison élevée, ce qui confère au silicium une grande dureté lorsqu'il résiste aux forces externes qui le déforment. Par exemple, une force externe importante est nécessaire pour détruire la forte liaison covalente entre les atomes.

Cependant, c'est précisément en raison des caractéristiques structurelles régulières et relativement rigides de son cristal atomique que lorsqu'il est soumis à une force d'impact importante ou à une force externe inégale, le réseau à l'intérieursiliciumIl est difficile d'amortir et de disperser la force externe par déformation locale, mais cela provoque la rupture des liaisons covalentes le long de certains plans cristallins ou directions cristallines fragiles, ce qui entraîne la rupture de la structure cristalline entière et la fragilité. Contrairement aux structures telles que les cristaux métalliques, il existe des liaisons ioniques entre les atomes métalliques qui peuvent glisser relativement, et qui s'appuient sur le glissement entre les couches atomiques pour s'adapter aux forces externes, présentant une bonne ductilité et une fragilité difficile.

SiliciumLes atomes sont reliés par des liaisons covalentes. L'essence de ces liaisons réside dans l'interaction forte formée par les paires d'électrons partagées entre les atomes. Bien que cette liaison puisse assurer la stabilité et la solidité de l'atome,cristal de siliciumStructurellement, la liaison covalente a du mal à se rétablir une fois rompue. Lorsque la force appliquée par l'environnement extérieur dépasse la limite de résistance de la liaison covalente, celle-ci se rompt. En l'absence de facteurs tels que la libre circulation des électrons, comme dans les métaux, pour réparer la rupture, rétablir la connexion ou s'appuyer sur la délocalisation des électrons pour disperser les contraintes, la liaison se fissure facilement et ne peut maintenir son intégrité globale par ses propres ajustements internes, ce qui rend le silicium très fragile.

Dans les applications pratiques, les matériaux à base de silicium sont souvent difficiles à purifier à 100 % et contiennent des impuretés et des défauts de réseau. L'incorporation d'atomes impurs peut perturber la structure réticulaire du silicium, initialement régulière, entraînant des modifications de la force des liaisons chimiques locales et du mode de liaison entre les atomes, créant ainsi des zones de fragilité. Les défauts de réseau (tels que les lacunes et les dislocations) concentrent également les contraintes.

Sous l'effet de forces externes, ces points faibles et de concentration de contraintes sont plus susceptibles de provoquer la rupture des liaisons covalentes, ce qui provoque la rupture du silicium et aggrave sa fragilité. Même si, à l'origine, la structure reposait sur les liaisons covalentes entre les atomes pour une dureté supérieure, il est difficile d'éviter une rupture fragile sous l'effet de forces externes.