硫化锌：结构、性质与应用

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硫化锌：结构、性质与应用

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https://vibaike.com/205659/

硫化锌（ZnS）是一种重要的无机化合物，广泛应用于发光材料、光学材料、颜料、催化剂和半导体等领域。它不仅在工业生产中有着重要应用，还在历史上的科学研究中扮演了关键角色。本文将详细介绍硫化锌的结构、性质、应用及其制备方法。

硫化锌

硫化锌是一种无机化合物，化学式为 ZnS。这是自然界中锌的主要形式，主要以闪锌矿的形式出现。虽然这种矿物通常因各种杂质而呈黑色，但其纯净物呈白色，被广泛用作颜料。在其致密的合成形式下，硫化锌可以是透明的，它被用作可见光学和红外光学的窗口。

结构

ZnS 以两种主要结晶形式存在。这种二元论是多态性的一个例子。在每种形式中，Zn 和 S 的配位几何结构都是四面体。更稳定的立方体形式也称为闪锌矿或闪锌矿。六角形被称为矿物纤锌矿，尽管它也可以合成生产。从闪锌矿形式到纤锌矿形式的转变发生在 1020 °C 左右。四方晶系也被称为非常稀有的矿物，称为钙锰矿，分子式为 (Zn,Hg)S。

应用

发光材料

硫化硼在加入几ppm合适的活化剂后，表现出强烈的磷光。这种现象由尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 在 1893 年描述)，目前用于许多应用，从阴极射线管到 X 射线屏幕，再到在黑暗中发光的产品。当银用作活化剂时，所得颜色为亮蓝色，xxx波长为 450 纳米。使用锰会在 590 纳米左右产生橙红色。铜能长时间发光，并且具有熟悉的绿色夜光。掺杂铜的硫化锌（ZnS 加 Cu）也用于电致发光面板。由于在蓝光或紫外光照射下的杂质，它还表现出磷光。

光学材料

硅化锭还用作红外光学材料，从可见波长传输到刚好超过 12 微米。它可以平面用作光学窗口或成形为透镜。它由硫化氢气体和锌蒸气合成制成微晶薄片，并以 FLIR 级（前视红外线）的形式出售，其中硫化锌呈乳黄色不透明形式。这种材料在热等静压(HIPed) 时可以转化为透明的形式，称为 Cleartran（商标）。早期的商业形式作为 Irtran-2销售，但这个名称现在已经过时了。

颜料

碳酸钙是一种常见的色素，有时也称为囊石。当与硫酸钡结合时，硫化锌形成立德粉。

催化剂

精细的 ZnS粉末是一种高效的光催化剂，可在光照下从水中产生氢气。ZnS在合成过程中可引入硫空位；这逐渐将白黄色的 ZnS 变成棕色粉末，并通过增强光吸收来提高光催化活性。

半导体特性

闪锌矿和纤锌矿都是本征宽带隙半导体。这些是典型的 II-VI 半导体，它们采用与许多其他半导体相关的结构，例如砷化镓。立方形式的 ZnS 在 300 开尔文时的带隙约为 3.54电子伏特，而六方形式的带隙约为 3.91 电子伏特。ZnS 可以掺杂为 n 型半导体或 p 型半导体。

历史

ZnS 的磷光最早于 1866 年由法国化学家 Théodore Sidot 报道。他的发现由以发光研究而闻名的 A. E. Becquerel 提出。ZnS 在早期的核物理学中被 Ernest Rutherford 等人用作闪烁探测器，因为它在 X 射线或电子束激发下发光，因此可用于 X 射线屏幕和阴极射线管。这种特性使硫化锌在镭手表的表盘中很有用。