シリコンはなぜあんなに硬いのに脆いのでしょうか?

シリコンシリコンは原子結晶であり、原子は共有結合によって互いにつながり、空間的なネットワーク構造を形成しています。この構造では、原子間の共有結合は非常に方向性があり、高い結合エネルギーを有しています。そのため、シリコンは外力による変形に対して高い硬度を示します。例えば、原子間の強固な共有結合を破壊するには、大きな外力が必要です。

しかし、原子結晶の規則的で比較的硬い構造特性のおかげで、大きな衝撃力や不均一な外力を受けると、内部の格子がシリコン局所的な変形によって外力を緩衝・分散させることは困難であり、一部の弱い結晶面や結晶方向に沿って共有結合が破壊され、結晶構造全体が破壊され、脆性特性を示すようになります。金属結晶などの構造とは異なり、金属原子間には相対的に滑るイオン結合があり、原子層間の滑りによって外力に適応できるため、優れた延性を示し、脆性破壊を起こしにくいという特徴があります。

シリコン原子は共有結合によって繋がれています。共有結合の本質は、原子間の共有電子対によって形成される強い相互作用です。この結合は、物質の安定性と硬さを確保することができますが、シリコン結晶シリコンは、一度共有結合が切れると修復が困難な構造をしています。外部から加えられる力が共有結合の許容限界を超えると、結合は切れてしまいます。金属のように自由に移動する電子が切れ目を修復したり、接続を再構築したり、電子の非局在化によって応力を分散させたりといった要素がないため、割れやすく、内部調整によって全体の完全性を維持できず、シリコンは非常に脆い状態にあります。

実用化において、シリコン材料は完全に純粋であることはしばしば困難であり、特定の不純物や格子欠陥を含有します。不純物原子の混入は、本来規則的なシリコン格子構造を乱し、局所的な化学結合強度や原子間の結合様式の変化を引き起こし、構造に脆弱な領域を生じさせる可能性があります。また、格子欠陥（空孔や転位など）は、応力が集中する箇所にもなります。

外力が作用すると、これらの弱点や応力集中部は共有結合の切断を引き起こしやすく、シリコン材料はこれらの箇所から破壊を開始し、脆性を悪化させます。たとえ原子間の共有結合を利用して高硬度の構造を構築したとしても、外力の影響下では脆性破壊を回避することは困難です。