Кремнийпредставляет собой атомный кристалл, атомы которого соединены друг с другом ковалентными связями, образуя пространственную сетчатую структуру. В этой структуре ковалентные связи между атомами очень направлены и имеют высокую энергию связи, что позволяет кремнию проявлять высокую твердость при сопротивлении внешним силам, изменяющим его форму. Например, для разрушения прочной ковалентной связи между атомами требуется большая внешняя сила.
Однако именно из-за регулярных и относительно жестких структурных характеристик его атомного кристалла, когда он подвергается большой ударной силе или неравномерной внешней силе, решетка внутрикремнийтрудно буферизовать и рассеивать внешнюю силу посредством локальной деформации, но это приведет к разрыву ковалентных связей вдоль некоторых слабых кристаллических плоскостей или кристаллических направлений, что приведет к разрушению всей кристаллической структуры и проявлению хрупких характеристик. В отличие от структур, таких как металлические кристаллы, существуют ионные связи между атомами металла, которые могут скользить относительно, и они могут полагаться на скольжение между атомными слоями, чтобы адаптироваться к внешним силам, демонстрируя хорошую пластичность и нелегко ломаясь.
КремнийАтомы соединены ковалентными связями. Суть ковалентных связей заключается в сильном взаимодействии, образованном общими электронными парами между атомами. Хотя эта связь может обеспечить устойчивость и твердостькремниевый кристаллструктура, ковалентной связи трудно восстановиться после ее разрыва. Когда сила, приложенная внешним миром, превышает предел, который может выдержать ковалентная связь, связь разрывается, и поскольку нет таких факторов, как свободно движущиеся электроны, как в металлах, которые могли бы помочь восстановить разрыв, восстановить связь или положиться на делокализацию электронов для рассеивания напряжения, она легко трескается и не может поддерживать общую целостность посредством собственных внутренних корректировок, в результате чего кремний становится очень хрупким.
В практических приложениях кремниевые материалы часто трудно сделать абсолютно чистыми, и они будут содержать определенные примеси и дефекты решетки. Включение примесных атомов может нарушить изначально регулярную структуру решетки кремния, вызывая изменения в прочности локальной химической связи и режиме связи между атомами, что приводит к появлению слабых областей в структуре. Дефекты решетки (такие как вакансии и дислокации) также станут местами концентрации напряжения.
При воздействии внешних сил эти слабые места и точки концентрации напряжений с большей вероятностью приведут к разрыву ковалентных связей, в результате чего кремниевый материал начнет разрушаться с этих мест, усугубляя свою хрупкость. Даже если изначально он полагался на ковалентные связи между атомами для создания структуры с более высокой твердостью, трудно избежать хрупкого разрушения под воздействием внешних сил.
Время публикации: 10 декабря 2024 г.