二硫化钼作为典型的过渡金属硫族化合物，其分子结构由钼元素（Mo）和硫元素（S）通过强共价键结合形成层状晶体。每个钼原子被六个硫原子以三角棱柱配位方式包围（配位数6），形成典型的S-Mo-S三明治结构，其中钼元素呈现+4价态（Mo⁴⁺），而硫元素则保持-2价（S²⁻）。这种独特的化学组成使其在高温高压条件下仍能保持稳定（分解温度约1370℃）。
需要特别注意的是，天然辉钼矿中常含有微量杂质元素，特别是铁（Fe）、铜（Cu）等金属元素会取代晶格中的钼原子位置。工业级产品还可能存在氧（O）元素掺杂（约0.1-1.2wt%），这些杂质会显著影响材料的摩擦系数（μ值0.03-0.15）和电导率（10⁻⁶-10⁻⁴ S/cm）。高纯电子级二硫化钼则通过化学气相沉积法（CVD）制备，其杂质含量可控制在ppm级别。
在纳米材料领域，通过元素掺杂可调控二硫化钼的性能，例如掺氮（N）能使其带隙从1.8eV调整至1.4eV，而掺钨（W）可提升催化活性位点密度（增加约300%）。现代分析技术如X射线光电子能谱（XPS）可精确测定各元素化学态，其中硫2p轨道结合能约162.5eV的特征峰是鉴别材料纯度的重要依据。
