ทำไมซิลิโคนถึงแข็งแต่เปราะมาก?

ซิลิคอนเป็นผลึกอะตอมที่มีอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ทำให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายเชิงพื้นที่ ในโครงสร้างนี้ พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมมีทิศทางชัดเจนและมีพลังงานพันธะสูง ซึ่งทำให้ซิลิกอนมีความแข็งสูงเมื่อต้านทานแรงภายนอกเพื่อเปลี่ยนรูปร่าง ตัวอย่างเช่น ต้องใช้แรงภายนอกจำนวนมากในการทำลายการเชื่อมต่อพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งระหว่างอะตอม

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะโครงสร้างที่สม่ำเสมอและค่อนข้างแข็งของผลึกอะตอม เมื่อต้องรับแรงกระแทกขนาดใหญ่หรือแรงภายนอกที่ไม่สม่ำเสมอ โครงตาข่ายภายในซิลิคอนเป็นเรื่องยากที่จะบัฟเฟอร์และกระจายแรงภายนอกผ่านการเปลี่ยนรูปในพื้นที่ แต่จะทำให้พันธะโควาเลนต์แตกไปตามระนาบผลึกที่อ่อนแอหรือทิศทางของผลึก ซึ่งจะทำให้โครงสร้างผลึกทั้งหมดแตกและมีลักษณะเปราะบาง ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างเช่นผลึกโลหะ มีพันธะไอออนิกระหว่างอะตอมของโลหะที่สามารถเลื่อนได้ค่อนข้าง และสามารถอาศัยการเลื่อนระหว่างชั้นอะตอมเพื่อปรับตัวให้เข้ากับแรงภายนอก แสดงให้เห็นถึงความเหนียวที่ดีและไม่เปราะบางที่จะแตกหัก

ซิลิคอนอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ แก่นแท้ของพันธะโควาเลนต์คือปฏิสัมพันธ์อันแข็งแกร่งที่เกิดขึ้นจากคู่อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างอะตอม แม้ว่าพันธะนี้จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าอะตอมจะมีความเสถียรและความแข็งคริสตัลซิลิคอนโครงสร้าง พันธะโควาเลนต์จะฟื้นตัวได้ยากเมื่อถูกหัก เมื่อแรงที่กระทำโดยโลกภายนอกเกินขีดจำกัดที่พันธะโควาเลนต์จะทนได้ พันธะจะแตก และเนื่องจากไม่มีปัจจัย เช่น อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระเหมือนในโลหะ เพื่อช่วยซ่อมแซมการแตก สร้างการเชื่อมต่อใหม่ หรืออาศัยการแยกตำแหน่งของอิเล็กตรอนเพื่อกระจายแรงเครียด จึงแตกร้าวได้ง่ายและไม่สามารถรักษาความสมบูรณ์โดยรวมได้ด้วยการปรับภายในของตัวเอง ทำให้ซิลิกอนเปราะมาก

ในการใช้งานจริง วัสดุซิลิกอนมักจะยากที่จะทำให้บริสุทธิ์ได้อย่างแท้จริง และจะมีสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องของโครงตาข่ายอยู่บ้าง การรวมอะตอมของสิ่งเจือปนอาจทำลายโครงสร้างโครงตาข่ายซิลิกอนปกติเดิม ส่งผลให้ความแข็งแรงของพันธะเคมีในพื้นที่และโหมดพันธะระหว่างอะตอมเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้มีบริเวณที่อ่อนแอในโครงสร้าง ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย (เช่น ช่องว่างและการเคลื่อนตัว) จะกลายเป็นจุดที่ความเค้นกระจุกตัวกัน

เมื่อแรงภายนอกกระทำ จุดอ่อนและจุดรวมแรงเครียดเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะทำให้พันธะโควาเลนต์แตกออก ทำให้วัสดุซิลิกอนเริ่มแตกออกจากตำแหน่งเหล่านี้ ส่งผลให้วัสดุเปราะบางมากขึ้น แม้ว่าเดิมทีจะต้องอาศัยพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีความแข็งสูงกว่า แต่ก็ยากที่จะหลีกเลี่ยงการแตกแบบเปราะภายใต้แรงกระแทกของแรงภายนอก