シリコンはなぜあんなに硬いのに、あんなに脆いのか？

シリコンシリコンは原子結晶であり、原子同士が共有結合によって結びつき、空間的なネットワーク構造を形成している。この構造では、原子間の共有結合は非常に方向性が強く、結合エネルギーも高いため、シリコンは外部からの力に抵抗して形状変化を起こす際に高い硬度を示す。例えば、原子間の強固な共有結合を破壊するには、大きな外部力が必要となる。

しかし、原子結晶の規則的で比較的剛性の高い構造特性ゆえに、大きな衝撃力や不均一な外力が加わると、内部の格子がシリコン局所的な変形によって外部の力を緩衝・分散することは困難ですが、弱い結晶面や結晶方向に沿って共有結合が切断され、結晶構造全体が破壊されて脆性特性を示します。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り合うことができるイオン結合があり、原子層間の滑りを利用して外部の力に適応できるため、優れた延性を示し、脆く壊れにくいです。

シリコン原子は共有結合によって結びついています。共有結合の本質は、原子間で共有される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、原子の安定性と強度を保証することができますが、シリコン結晶シリコンの構造では、共有結合が一度切断されると回復が困難です。外部から加えられる力が共有結合が耐えられる限界を超えると、結合は切断されます。金属のように自由に移動する電子など、切断を修復したり、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したりするような要因がないため、ひび割れやすく、自身の内部調整によって全体の完全性を維持することができません。そのため、シリコンは非常に脆いのです。

実際の用途において、シリコン材料は完全に純粋な状態を保つことが難しく、不純物や格子欠陥が含まれることが多い。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、局所的な化学結合の強度や原子間の結合様式を変化させ、構造に弱点を生じさせる可能性がある。また、格子欠陥（空孔や転位など）は、応力が集中する箇所となる。

外部からの力が加わると、これらの弱点や応力集中箇所では共有結合が切断されやすくなり、シリコン材料がこれらの箇所から破壊され始め、脆性がさらに悪化する。たとえ元々原子間の共有結合によって高い硬度を持つ構造を構築していたとしても、外部からの力の影響下では脆性破壊を避けることは難しい。