硫化锌：性质、制备与应用

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硫化锌：性质、制备与应用

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https://m.chemicalbook.com/ProductChemicalPropertiesCB0733609.htm

硫化锌（ZnS）是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有独特的光电性质和广泛的工业应用。本文将从其化学性质、物理性质、制备方法及应用领域等方面，全面介绍这种重要的无机化合物。

半导体材料特性

硫化锌是由硫和锌构成的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。其分子式为ZnS，分子量为97.45，熔点为1020℃（15MPa）。硫化锌呈白色晶体，晶格常数为0.547nm，属于六角晶型，密度为4.08g/cm³。它几乎不溶于水，但可溶于酸。在潮湿的空气中长期放置会转化成硫酸锌。

硫化锌的禁带宽度为3.6eV，是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料中最宽的。这一特性使其能够制成蓝色发光管。粉末状的硫化锌是最重要的场致发光材料和光荧光材料，广泛用于制备显像管的荧光屏、记分牌显示器等。此外，它还是红外光学材料中的窗口材料和镀膜材料。

荧光粉用的硫化锌大多采用溶液法制成，其特点是产量大、成本低。通过气相合成的高纯硫化锌呈针状结晶，适用于制备高性能的镀膜材料和单晶原料。利用高压单晶炉和化学气相输运法（CVD）可以生长硫化锌单晶。热压成型法和CVD法可用于制备光学材料用硫化锌片，这些材料广泛应用于激光器的窗口材料。近年来，金属有机化学气相沉积法成为制备硫化锌薄膜材料的主要方法，因其生长温度低，生成的薄膜完整性好，缺陷少，易于制备异质结光电子器件。

理化性质

硫化锌的化学式为ZnS，Zn与S之间的化学键偏向共价键型。晶体存在三种不同构型：

低温型（闪锌矿结构）：无色立方晶体，Zn和S的配位数均为4，相对密度为4.10，在1020℃时转变为高温型。
高温型（纤维锌矿结构）：无色六方晶体，Zn和S的配位数均为4，相对密度为3.98，熔点约为1700℃，是硫化锌的高温稳定结构。
高压型（氯化钠结构）：Zn和S的配位数均为6，相对密度为5.21。

此外，还有含水化合物ZnS·H2O，为白色粉末，相对密度为3.98，熔点为1049℃。硫化锌不溶于水和稀碱，也不溶于醋酸，但易溶于盐酸等低浓度强酸，会放出硫化氢。硫化锌的溶度积和氢硫酸的K1·K2值相近，因此在稀酸中存在平衡反应：

Zn²⁺ + H₂S ⇌ 2H⁺ + ZnS

这表明在强酸性的锌盐溶液中通入硫化氢气体，得不到硫化锌沉淀。在锌盐溶液中通入硫化氢气体，可以得到硫化锌沉淀，但沉淀不完全。使用硫化铵溶液作为沉淀剂，可使锌盐溶液中的锌离子完全沉淀成硫化锌，因硫化铵溶液显碱性，可减少体系酸度。工业上采用上述方法制取，需在隔绝空气的情况下操作。白色硫化锌见光变暗，在空气中易被氧化成硫酸锌。

纯的硫化锌并不发光，若在硫化锌晶体中加入微量的锰、铜、银等活化剂，经光照射后，可发出不同颜色的荧光，被称作荧光粉，用于制作荧光屏、发光油漆。硫化锌还广泛应用于制革、搪瓷、橡胶、染料等工业。

毒性

硫化锌具有腐蚀性，有毒，能刺激皮肤。操作人员需要穿戴防护用品，车间通风要良好。

化学性质

硫化锌有两种晶型：

Α型硫化锌：无色六方结晶粉末或白色至灰白色或淡黄色粉末，相对密度4.087，熔点1700℃。导热系数25.1 W/(m·K)，热膨胀系数（体积）：100℃时为0.163，200℃时为0.395，400℃时为0.919，800℃时为2.146。
Β型硫化锌：立方结晶，白色至灰白色或黄色粉末，相对密度4.102，熔点1700℃。热膨胀系数（体积）：100℃时为0.156，200℃时为0.386，400℃时为0.898，800℃时为1.996。

硫化锌在空气中能缓慢氧化成硫酸盐，晶型转变温度为1020℃。它溶于稀无机酸，不溶于水。

应用领域

硫化锌广泛应用于多个领域：

分析试剂和荧光粉基质：用于染料和固化油的制造。
红外光学材料：硫化锌具有纯度高、不溶于水、密度适中、易于加工等特点。在8-12μm波段范围内，具有很好的图像传输性能，但在10μm后有部分开始吸收。在中红外波段透过率较高，伴随着波长的变短，吸收和散射增强。硫化锌的抗恶劣环境的能力强，硬度高，断裂强度是硒化锌（ZnSe）的两倍。
热成像系统：硫化锌是坚韧的前光学器件，用于红外窗口和热波段（8至14μm）。
激光器件：单晶硫化锌可用但不常见。在严格控制材料的体吸收和内部结构缺陷的同时，采用最小破坏程度的抛光技术和最高光学质量的镀膜工艺的情况下可用做高功率激光器件。
其他应用：硫化锌在300℃下显著氧化，在约500℃下显示塑性变形，并在约700℃时解离。为了安全起见，在正常大气中不应在250°C以上使用硫化锌窗户。此外，硫化锌还用于制作X线荧光屏、表的发光刻度盘、电视荧光屏、油漆的颜料等。