所有形式的MoS2具有层状结构，其中钼原子平面被硫离子平面夹在中间。这三层形成一个单层二硫化钼。块状二硫化钼由堆叠的单层组成，它们通过弱范德华相互作用连接在一起。
二硫化钼结晶在自然界中以两相形态存在，2H-MoS2和3R-MoS2其中“H”和“R”分别表示六方和菱形对称。在这两种结构中，每个钼原子都存在于三棱柱配位球的中心，并共价结合到六个硫化物离子上。每个硫原子具有金字塔形配位，并与三个钼原子键合。2H相和3R相都是半导体。
第三种亚稳态晶相，称为1T-MoS2是通过嵌入碱金属到2H-MoS2而发现的。该相具有四方对称性，并且呈现金属性。1T相可以通过掺杂电子给体如铼来稳定，或者通过微波辐射转换回2H相位。
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