למה סיליקון כל כך קשה אבל כל כך שביר?

סִילִיקוֹןהוא גביש אטומי, שהאטומים שלו מחוברים זה לזה באמצעות קשרים קוולנטיים, ויוצרים מבנה רשת מרחבי. במבנה זה, הקשרים הקוולנטיים בין האטומים הם כיווניים מאוד ובעלי אנרגיית קשר גבוהה, מה שגורם לסיליקון להראות קשיות גבוהה כאשר הוא מתנגד לכוחות חיצוניים כדי לשנות את צורתו. לדוגמה, נדרש כוח חיצוני גדול כדי להרוס את קשר הקשר הקוולנטי החזק בין האטומים.

עם זאת, דווקא בגלל המאפיינים המבניים הסדירים והנוקשים יחסית של גביש האטום שלו, כאשר הוא נתון לכוח פגיעה גדול או לכוח חיצוני לא אחיד, הסריג שבתוכו...סִילִיקוֹןקשה לחסום ולפצור את הכוח החיצוני באמצעות דפורמציה מקומית, אך הדבר יגרום לקשרים קוולנטיים להישבר לאורך כמה מישורי גביש חלשים או כיווני גביש חלשים, מה שיגרום לכל מבנה הגביש להישבר ולהראות מאפייני שבירות. שלא כמו מבנים כמו גבישי מתכת, ישנם קשרים יוניים בין אטומי מתכת שיכולים להחליק יחסית, והם יכולים להסתמך על ההחלקה בין שכבות האטום כדי להסתגל לכוחות חיצוניים, ומראים גמישות טובה ולא קל לשבור שבירות.

סִילִיקוֹןאטומים מחוברים באמצעות קשרים קוולנטיים. מהותם של קשרים קוולנטיים היא האינטראקציה החזקה שנוצרת על ידי זוגות אלקטרונים משותפים בין אטומים. למרות שקשר זה יכול להבטיח את היציבות והקשיות שלגביש סיליקוןבמבנה, קשה לקשר הקוולנטי להתאושש לאחר שהוא נשבר. כאשר הכוח המופעל על ידי העולם החיצוני עולה על הגבול שהקשר הקוולנטי יכול לעמוד בו, הקשר יישבר, ומכיוון שאין גורמים כמו אלקטרונים הנעים בחופשיות כמו במתכות כדי לעזור לתקן את השבר, ליצור מחדש את החיבור, או להסתמך על דה-לוקליזציה של אלקטרונים כדי לפזר את המאמץ, הוא קל להיסדק ואינו יכול לשמור על שלמותו הכוללת באמצעות התאמות פנימיות משלו, מה שגורם לסיליקון להיות שביר מאוד.

ביישומים מעשיים, קשה לעיתים קרובות להיות חומרי סיליקון טהורים לחלוטין, והם יכילו זיהומים ופגמי סריג מסוימים. שילוב אטומי טומאה עלול לשבש את מבנה הסריג המקורי של הסיליקון, ולגרום לשינויים בחוזק הקשר הכימי המקומי ובאופן הקשר בין האטומים, וכתוצאה מכך להיווצרות אזורים חלשים במבנה. פגמי סריג (כגון ריקנות ונקעים) יהפכו גם הם למקומות שבהם מרוכז מאמץ.

כאשר פועלים כוחות חיצוניים, נקודות תורפה ונקודות ריכוז מאמץ אלו נוטות יותר לגרום לשבירה של קשרים קוולנטיים, מה שגורם לחומר הסיליקון להתחיל להישבר ממקומות אלה, מה שמחמיר את שבירותו. גם אם במקור הוא הסתמך על קשרים קוולנטיים בין אטומים כדי לבנות מבנה בעל קשיות גבוהה יותר, קשה להימנע משבר שביר תחת השפעת כוחות חיצוניים.