硫化锌的结构

硫化锌结构有两种，一种是立方硫化锌，一种是六方硫化锌。

一、立方硫化锌的结构

立方硫化锌又名闪锌矿，晶胞参数a为540.93pm，其结构可看作S原子作立方最密堆积，Zn原子占据一半四面体空隙形成。

图1  Zn原子占据立方晶胞一半四面体空隙

立方最密堆积的晶胞拥有的原子个数为8×1/8＋6×1/2＝4。

立方最密堆积有两种空隙：八面体与四面体空隙。任意四个相切的球体围成一个四面体空隙，具体到晶胞而言，四面体空隙由一个顶角原子与三个面心原子围成，空隙数目为8，均位于晶胞内部，是面心立方原子数4的2倍。

同一个密置层相切的三个球体若与相邻的另一密置层三个相切的球体空隙对应（中间没有球体），这六个球将围成正八面体空隙，具体到晶胞而言，八面体空隙由六个面心原子围成，或由8个四面体空隙围成。晶胞内部有1个八面体空隙，棱边中心各有1个八面体空隙，考虑到均摊，一个立方最密堆积拥有的八面体空隙数为1＋12×1/4＝4个，与面心立方原子数4相同。

故立方最密堆积晶胞原子个数∶八面体空隙数∶四面体空隙数＝4∶4∶8。

由于立方硫化锌结构可看作S原子作立方最密堆积，Zn原子占据一半四面体空隙形成，填隙时Zn原子互相间隔开，使填隙四面体不会出现共面连接或共边连接，降低Zn原子之间排斥力，有利于晶体稳定。

图2  立方硫化锌晶胞

由于Zn原子只占据一半四面体空隙，故立方硫化锌结构中Zn原子与S原子个数比为4∶4＝1∶1，所以立方硫化锌化学式为ZnS，一个立方硫化锌晶胞拥有4个“ZnS”微粒。Zn和S都是按四面体的方式成键，键型介于共价键与离子键之间。

二、六方硫化锌的结构

六方硫化锌又名纤锌矿，晶胞参数a为381.1pm，c为623.4pm，其结构可看作S原子作六方最密堆积，Zn原子占据一半四面体空隙形成。

图3  Zn原子占据六方晶胞一半四面体空隙

六方最密堆积的晶胞拥有的原子个数：4×1/6＋4×1/12＋1＝2

六方晶胞有两种空隙：八面体与四面体空隙。任何四个相切的球围成一个正四面体空隙，在一个晶胞内最易找到的两个四面体空隙均在晶胞内部（观看演示）；其余四面体空隙由晶胞顶点八个球分别与中间层围成，两个四面体共面连接成三方双锥形，它们的中心落在与c轴平行的四条棱边上，故一个晶胞拥有的正四面体空隙数为2＋4×1/3＋4×1/6＝4个。

三维堆积时若同一个密置层相切的三个球体若与相邻的另一密置层三个相切的球体空隙对应（中间没有球体），这六个球将围成正八面体空隙，晶胞内部在与第二、第二与第三密置层共面形成2个正八面体（观看演示）。

故六方最密堆积晶胞原子个数∶八面体空隙数∶四面体空隙数＝2∶2∶4。

由于六方硫化锌结构可看作S原子作六方最密堆积，Zn原子占据一半四面体空隙形成，填隙时Zn原子互相间隔开，使填隙四面体不会出现共面连接或共边连接，降低Zn原子之间排斥力，有利于晶体稳定。

由于Zn原子只占据一半四面体空隙，故六方硫化锌结构中Zn原子与S原子个数比为2∶2＝1∶1，所以六方硫化锌化学式为ZnS，一个六方硫化锌晶胞拥有2个“ZnS”微粒。Zn和S都是按四面体的方式成键，键型介于共价键与离子键之间，和立方硫化锌情况相同。

图4  六方硫化锌晶胞

六方硫化锌原子在晶胞中占据的坐标位置为：S原子，晶胞顶点（0,0,0），晶胞内部（2/3,1/3,1/2）；Zn原子，棱边（0,0,3/8），晶胞内部（2/3,1/3,7/8）。