ทำไมซิลิคอนถึงแข็งมากแต่กลับเปราะมาก?

ซิลิคอนซิลิคอนเป็นผลึกอะตอมที่มีอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ก่อให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายในเชิงพื้นที่ ในโครงสร้างนี้ พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมมีทิศทางที่ชัดเจนและมีพลังงานพันธะสูง ทำให้ซิลิคอนมีความแข็งสูงเมื่อต้านทานแรงภายนอกที่พยายามเปลี่ยนรูปร่าง ตัวอย่างเช่น ต้องใช้แรงภายนอกมหาศาลในการทำลายพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรงระหว่างอะตอม

อย่างไรก็ตาม เป็นเพราะลักษณะโครงสร้างที่สม่ำเสมอและค่อนข้างแข็งแกร่งของผลึกอะตอมนั่นเอง ที่เมื่อมันถูกแรงกระแทกขนาดใหญ่หรือแรงภายนอกที่ไม่สม่ำเสมอ แลตทิซภายในจึงเสียรูปไปซิลิคอนการลดและกระจายแรงภายนอกผ่านการเปลี่ยนรูปเฉพาะจุดนั้นทำได้ยาก เพราะจะทำให้พันธะโควาเลนต์แตกหักตามระนาบผลึกหรือทิศทางผลึกที่อ่อนแอ ซึ่งจะทำให้โครงสร้างผลึกทั้งหมดแตกหักและแสดงลักษณะเปราะ ต่างจากโครงสร้างเช่นผลึกโลหะ ที่มีพันธะไอออนิกอยู่ระหว่างอะตอมของโลหะที่สามารถเลื่อนไปมาได้ และสามารถอาศัยการเลื่อนระหว่างชั้นอะตอมเพื่อปรับตัวให้เข้ากับแรงภายนอก ทำให้มีความยืดหยุ่นดีและไม่แตกหักง่าย

ซิลิคอนอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ สาระสำคัญของพันธะโคเวเลนต์คือปฏิกิริยาที่แข็งแรงซึ่งเกิดจากอิเล็กตรอนคู่ร่วมกันระหว่างอะตอม แม้ว่าพันธะนี้จะช่วยให้เกิดความเสถียรและความแข็งแรงของโครงสร้างได้ก็ตามผลึกซิลิคอนด้วยโครงสร้างแบบนี้ พันธะโควาเลนต์จึงยากที่จะฟื้นตัวเมื่อแตกหักไปแล้ว เมื่อแรงจากภายนอกเกินขีดจำกัดที่พันธะโควาเลนต์จะทนได้ พันธะก็จะแตก และเนื่องจากไม่มีปัจจัยต่างๆ เช่น อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเหมือนในโลหะที่จะช่วยซ่อมแซมรอยแตก สร้างการเชื่อมต่อใหม่ หรืออาศัยการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเพื่อบรรเทาแรงกด จึงทำให้ซิลิคอนแตกง่ายและไม่สามารถรักษาความสมบูรณ์โดยรวมได้ด้วยการปรับตัวภายในของตัวเอง ส่งผลให้ซิลิคอนเปราะมาก

ในการใช้งานจริง วัสดุซิลิคอนมักยากที่จะมีความบริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์ และมักจะมีสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกอยู่ การรวมตัวของอะตอมสิ่งเจือปนอาจรบกวนโครงสร้างผลึกซิลิคอนที่เป็นระเบียบเดิม ทำให้ความแข็งแรงของพันธะเคมีในบริเวณนั้นและรูปแบบการยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้เกิดบริเวณที่อ่อนแอในโครงสร้าง นอกจากนี้ ข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึก (เช่น ช่องว่างและดิสโลเคชัน) ยังจะกลายเป็นจุดที่มีความเครียดกระจุกตัวอีกด้วย

เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ จุดอ่อนและจุดที่มีความเค้นสะสมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะทำให้พันธะโควาเลนต์แตกหัก ส่งผลให้วัสดุซิลิคอนเริ่มแตกจากบริเวณเหล่านั้น ทำให้ความเปราะบางเพิ่มมากขึ้น แม้ว่าเดิมทีโครงสร้างจะอาศัยพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมในการสร้างโครงสร้างที่มีความแข็งสูง แต่ก็ยากที่จะหลีกเลี่ยงการแตกหักแบบเปราะบางภายใต้แรงกระแทกจากแรงภายนอก