CN108976873A - 一种增光自清洁膜系统及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种自清洁膜系统包括衬底以及膜。膜包括由氟化材料形成的单分子层以及多个第一区域，该多个第一区域设置在单分子层内并且彼此间隔开，使得多个第一区域中的每一个邻接氟化材料并被其包围但未被其覆盖。多个第一区域中的每一个包括光催化材料。该系统还包括设置在衬底附近的波导。波导包括第一光源和第二光源，第一光源配置为朝向膜发射具有10nm至400nm的紫外线波长的电磁辐射的第一部分，而第二光源配置为朝向膜发射具有700nm至1mm的红外线波长的电磁辐射的第二部分。公开了一种形成配置为降低污染物的可见度的自清洁膜系统的方法。

Description

一种增光自清洁膜系统及其形成方法
引言
本发明涉及一种自清洁膜系统以及形成自清洁膜系统的方法。
诸如显示系统之类的装置通常会被设计为操作者可触摸的形式。例如，一辆机动车可以包括通过触摸屏向操作者呈现信息的显示系统。类似地，自动取款机或自助售货机可以包括通过触摸激活的显示系统。
诸如照相机和射击眼镜之类的其他装置通常包括在使用期间可能被操作者无意中触摸到的镜片表面。此外，诸如机动车、窗户、反射镜、电器、橱柜、家具、移动电话、指纹扫描仪、传感器、复印机、医疗器械和工作台面等其他装置也可以包括一个由操作者触摸控制的一个或多个触摸平面。因此，在使用期间，操作者可以将指纹和/或油沉积到这种装置及表面上。
发明内容
自清洁膜系统包括衬底以及设置在衬底上的膜。该膜包括由氟化材料形成的单分子层，所述氟化材料由氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合构成。该膜还包括设置在所述单分子层内部并且彼此间隔开的多个第一区域，使得多个第一区域中的每一个邻邻接氟化材料并被其包围但未被其覆盖。多个第一区域的每一个都包含光催化材料。自清洁膜系统还包括设置在衬底附近的波导。波导包括第一光源，该第一光源被配置为用于向膜发射电磁辐射的第一部分。电磁辐射的第一部分具有10nm-400nm的紫外线波长。波导还包括第二光源，该第二光源被配置为用于向膜发射电磁辐射的第二部分。电磁辐射的第二部分具有700nm-1mm的红外线波长。
一方面，膜可具有第一表面以及与第一表面相对隔开并邻近所述衬底的第二表面。第一表面基本不含角鲨烯。
一方面，衬底可以具有邻接第二表面的近侧表面，与近侧表面相对隔开的远侧表面，连接近侧表面和远侧表面的第一边缘以及与第一边缘相对间隔开的第二边缘。波导可设置在第一边缘附近。
另一方面，自清洁膜系统可进一步包括设置在远侧表面上的介电涂层，该介电涂层被配置为用于向近侧表面反射电磁辐射的第一部分。自清洁膜系统还可以包括设置在衬底和波导之间的光学胶合剂，这样使得波导粘附到衬底。所述波导还可以包括设置在所述衬底处并且被配置为用于扩散所述电磁辐射的第一部分和电磁辐射的第二部分的扩散器。第一光源可以包括多个紫外线光电二极管，而第二光源可以包括多个红外线光电二极管。
此外，膜可以限定与水的接触角大于140°。
一方面，光催化材料可以是二氧化钛以及以金红石形式存在于多个第一区域中。另一方面，所述光催化材料可以是二氧化钛，并且可以以锐钛矿形式存在于多个第一区域中。其他方面，所述光催化材料可以是二氧化钛，并且可以以金红石形式和锐钛矿形式的组合存在于多个第一区域中。再一方面，光催化材料可以掺杂有银。衬底可以由二氧化硅形成。
另一方面，所述自清洁膜系统可以包括设置在单分子层内的多个第二区域，使得多个第二区域中的每一个邻接氟化材料并被氟化材料包围，其中多个第二区域中的每一个都包含银。
在一个实施例中，自清洁膜系统包括衬底以及设置在衬底上的膜。膜包括由氟化材料形成的单分子层，该氟化材料由氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合构成。该膜还包括设置在所述单分子层内部并且彼此间隔开的多个第一区域，使得多个第一区域中的每一个邻接氟化材料并被其包围但未被其覆盖。多个第一区域的每一个都包含光催化材料。自清洁膜系统还包括设置在衬底附近的波导。波导包括第一光源，该第一光源被配置为用于向膜发射电磁辐射的第一部分，其中电磁辐射的第一部分具有10nm-400nm的紫外线波长。波导还包括第二光源，该第二光源被配置为用于向膜发射电磁辐射的第二部分，该电磁辐射的第二部分具有700nm-1mm的红外线波长。自清洁膜系统还包括配置为用于向衬底发射光线的显示器。另外，自清洁膜系统包括夹在衬底以及显示器之间的介电涂层，该介电涂层被配置为用于将电磁辐射的第一部分反射向膜。
一方面，自清洁膜系统还可以包括第三光源，该第三光源设置在显示器附近并被配置为用于向显示器发射电磁辐射的第三部分。电磁辐射的第三部分具有400nm-100nm的波长。另一方面，电磁辐射的第三部分也可以具有740nm-380nm的波长。
形成配置为降低污染物的可见度的自清洁膜系统的方法包括将由选自氟化有机化合物，氟化无机化合物及其组合的氟化材料形成的单分子层沉积到衬底上。沉积之后，该方法包括烧蚀单分子层以在其中限定多个第一空腔。多个第一空腔中的每一个都沿着单分子层与多个第一空腔中的一个相邻并隔开。烧蚀之后，该方法将光催化材料嵌入到所述多个第一空腔中的每一个中，以在衬底上形成膜并由此形成自清洁膜系统。膜包括含有光催化材料的多个第一区域。多个第一区域设置在单分子层内并且彼此间隔开，使得多个第一区域中的每一个邻接，其被氟化材料包围但未被其覆盖。自清洁膜系统进一步包括波导，该波导被配置为与衬底相邻且包括第一光源和第二光源，第一光源被配置为用于向膜发射电磁辐射的第一部分，其中，电磁辐射的第一部分具有10nm-400nm的紫外线波长；第二光源被配置为用于向膜发射电磁辐射的第二部分，其中，电磁辐射的第二部分具有700nm-1mm的红外线波长。该方法还包括，在嵌入之后，用电磁辐射的第二部分照射膜，从而将污染物移向多个第一区域，并且用电磁辐射的第一部分照射衬底，从而加速污染物在多个第一区域的光催化降解并最终降低污染物的可见度。
一方面，污染物可以包括至少一个甲基基团，并且照射可以包括拉伸、变形以及摇动甲基基团中的至少一个，由此使得污染物沿着膜平移。
根据以下对用于执行本发明公开的优选实施例和最佳模式的详细描述，再结合附图和所附权利要求书时，本发明公开的以上特征及优点以及其他特征及优点将变得显而易见。
附图说明
图1是自清洁膜系统的示意前视图。
图2是沿剖面线2-2截取的图1的自清洁膜系统的剖视示意图。
图3是图1和图2的自清洁膜系统的一个实施例的分解透视示意图。
图4是图1和图2的自清洁膜系统的分解侧视示意图。
图5是形成图1和图2的自清洁膜系统的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1总体示出了自清洁膜系统10。自清洁膜系统10被配置为用于降低污染物100的可见度或显现性。例如，自清洁膜系统10可以适用于其中操作者可以将指纹、油和/或其他有机或碳基污染物100或病原体接触并沉积到屏幕、镜片或表面上的应用。更具体地说，自清洁膜系统10适用于需要清洁的，基本无指纹的屏幕、镜片或表面的应用。也就是说，自清洁膜系统10可用于从这样的屏幕、镜片或表面去除指纹及其他有机污染物100。
例如，所述自清洁膜系统10可应用于机动车上，比如包括触摸屏的仪表板内导航系统，或包括镜片的机动车照相机。或者自清洁膜系统10可用于非机动车应用，例如，但不限于消费电子产品、移动电话、眼镜、个人防护装置、电器、家具、自助售货机、指纹扫描仪、医疗装置、传感器、飞行器和工业车辆。
现在参照图2，自清洁膜系统10包括衬底12。衬底12可以由适于折射可见光的玻璃质透明材料形成。例如，在一个实施例中，衬底12可以由二氧化硅形成。在另一个实施例中，衬底12可以由聚碳酸酯或其他塑料形成。通过非限制性示例的方式，衬底12可以被配置为显示系统的屏幕、射击眼镜或泳镜的镜片、头盔的面罩、冰箱的表面、橱柜的面板、车辆的车门面板、自助售货机的触摸屏或可由操作者触摸的另一表面或装置。
自清洁膜系统10还包括设置在衬底12上的膜14，正如下面更详细地阐述的化学粘合到衬底12。膜14可被配置为覆盖并保护衬底12免受指纹、油、病原体和有机污染物100(图1)的影响。也就是说，膜14可以被配置成使得沉积在膜14上的指纹、油、病原体和有机污染物100消失、不复存在或蒸发，从而保持衬底12的清洁，使其能够显示清晰的图像或反射。
更具体地说，参照图2所示，膜14可以具有第一表面16以及与第一表面16相对隔开的第二表面18。第二表面18可邻接衬底12，并且第一表面16基本上没有如角鲨烯、有机材料和/或其他脂肪酸的油等的污染物100(图1)。如本文所用，术语角鲨烯是指具有30个碳原子、由国际纯粹与应用化学联合会名称(6E,10E,14E,18E)-2,6,10,15,19,23-六甲基十六烷-2,6,10,14,18,22-六烯代表的有机化合物。也就是说，污染物100可以具有至少一个甲基基团102(图1)。通常，膜14可以表征为薄膜并且可以具有如10μm-150μm的厚度20。
衬底12可具有邻接第二表面18的近侧表面22以及与近侧表面22相对间隔开的远侧表面24。因此，衬底12和膜14被配置为通过近侧表面22、远侧表面24、第一表面16以及第二表面18传输可见光。衬底12还可具有连接近侧表面22以及远侧表面24的第一边缘26以及与第一边缘26相对间隔开的第二边缘28。在一些实施例中，衬底12还可以包括防反射膜(未示出)。防反射膜可以被配置用于减少自清洁膜系统10的反射，因为自清洁膜系统10中的光损失可以被降到最小化故而提高了系统10的效率。这样，自清洁膜系统10同时具有自清洁能力以及相对较低的反射率。尽管图中未示出，防反射膜可以由包含二氧化硅以及二氧化钛交替层的防反射涂层形成。
现参照图3所示，膜14包括由选自氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合的氟化材料形成的单分子层30。单分子层30可以形成膜14的大部分并且可以表征为单分子层场。如本文所用，术语单分子层是指具有厚度20(图2)的一个分子的层。也就是说，单分子层30是一个分子厚，并且可以表征为薄层。在一个实施例中，氟化材料可以是氟化类金刚石碳。在另一个实施案例中，氟化材料可以是氟化锡(IV)氧化物。氟化材料，即氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合，为膜14提供超疏水性、抗微生物性、防污性以及耐划伤性。膜14也可以有助于提高使用膜14时的周围环境的清洁空气质量。
如图3所示，膜14还包括设置在单分子层30内并且彼此间隔开的多个第一区域32，使得多个第一区域32中的每一个邻接氟化材料并被其包围但未被其覆盖。也就是说，多个第一区域32可以位于单分子层30内并沿着单分子层30。在一个实施例中，多个第一区域32可以沿着第一表面16(图2)彼此等距间隔开。在其他实施例中，多个第一区域32可以沿着第一表面16并在整个单分子层30上随机地间隔开。在其他实施例中，多个第一区域32可以在单分子层30内按照图案布置。以100体积份的膜14计，多个第一区域32可以以约10体积份至约85体积份，例如以100体积份的膜14计的约50体积份的量存在于膜14中。
多个第一区域32中的每一个都包括例如二氧化钛的光催化材料。光催化材料可以使膜14具有自清洁能力。也就是说，光催化材料可氧化和/或汽化存在于膜14的第一表面16上的污染物100(图1)，例如有机材料或角鲨烯，如下详述。特别地，光催化材料在暴露于例如可见光、红外线或紫外线时可以是光活化的光催化剂。
合适的光催化材料可以包括但不限于光氧化半导体、半导体氧化物、掺杂金属氧化物、异质结材料及其组合。
在一个实施例中，光催化材料可以是二氧化钛，并且可以以金红石形式存在于多个第一区域32中。可选地，光催化材料可以是二氧化钛，并且可以以锐钛矿形式存在于多个第一区域32中，这种锐钛矿形式可以表现出比金红石形式相对更高的光催化活性。在其他实施例中，光催化材料可以是二氧化钛，并且可以以金红石形式和锐钛矿形式的组合存在于多个第一区域32中。此外，可以掺杂光催化材料以形成功能化光催化材料，例如功能化二氧化钛。例如，功能化光催化材料可以掺杂有金属，例如但不限于铬、钴、铜、钒、铁、银、铂、钼、镧、铌及其组合。可选地，功能化光催化材料可以掺杂有非金属，例如但不限于氮、硫、碳、硼、钾、碘、氟及其组合。在一个示例中，光催化材料可以掺杂有银。掺杂光催化材料可以改善光催化材料的太阳能响应，可以提供相对较高的光子丰度，并且可以提高光催化材料的光活性。
光催化材料可以表征为纳米颗粒，并且可以具有在纳米尺度上可测量的平均直径。可选地，光催化材料可以表征为颗粒，并且可以具有在微米尺度上可测量的平均直径。光催化材料可以具有1μm至10μm的厚度(未示出)。通常，以100体积份的膜14计，光催化材料可以以约2体积份至约35体积份的量存在于膜14中。
在其他非限制性实施例中，多个第一区域32可以包括半导体氧化物，例如但不限于氧化锌、铋、氧化锡及其组合。如下面更详细阐述的，可以将半导体氧化物选择为具有适合于光催化反应的带隙分离。
在参考图3描述的另一个实施例中，膜14可以包括多个第二区域34，该多个第二区域34设置在单分子层30内，使得多个第二区域34中的每一个邻接氟化材料并被其包围，其中多个第二区域34中的每一个包括银。多个第二区域34可以不被氟化材料覆盖。
也就是说，多个第二区域34也可以在单分子层30内并沿着单分子层30定位。在一个实施例中，多个第二区域34可以沿着第一表面16彼此等距地间隔开。在其他实施例中，多个第二区域34可以沿着第一表面16在整个单分子层30上随意地间隔开。在其他实施例中，多个第二区域34可以以一定图案排列在单分子层30内。以100体积份的膜14计，多个第二区域34可以以约10体积份至约85体积份的量存在于膜14中，例如，以100体积份的膜14计，以约25体积份的量存在。
银可以表征为纳米颗粒，并且可以具有在纳米尺度上可测量的平均直径。可选地，银可以表征为颗粒，并且可以具有在微米尺度上可测量的平均直径。通常，以100体积份的膜14计，银可以以约2体积份至约35体积份的量存在于膜14中。银可以为膜14提供防污性、抗微生物特性和空气净化特性。例如，银可以破坏微生物的细胞功能。特别地，银可以有助于实现磷脂分解，从而使得微生物细胞壁不能进行呼吸作用。
如图2最佳所示，膜14限定大于140°的与水的接触角36。例如，膜14可以限定大于或等于150°的与水的接触角36。这样，水、油和污染物100可以在第一表面16上高效地形成珠状并移动。换句话说，水、油和污染物100可以具备可移动性并沿着第一表面16高效地移动.
现参考图4，自清洁膜系统10还包括设置在衬底12附近的波导38。例如，波导38可以沿着第一边缘26(图2)和第二边缘28(图2)中的至少一个设置。具体地并且如下面更详细描述的，波导38可以在衬底12处的膜14正下方注入电磁辐射的第一部分40(图3)和第二部分42(图3)。也就是说，波导38可以配置为朝向衬底12发射电磁辐射40、42且因此可以粘附到衬底12上。
例如，自清洁膜系统10可以进一步包括设置在衬底12与波导38之间的光学胶合剂44，这样使得波导38可以粘附到衬底12。可以将光学胶合剂44选择为允许电磁辐射40、42(图3)传输穿过光学胶合剂44，并且还允许波导38在衬底12上精确地定位。合适的光学胶合剂44可以包括可从位于新泽西州克兰伯里市的Norland Products,Inc.公司购买到的商品名为NOX的光学环氧树脂。
波导38可以配置为将电磁辐射添加到自清洁膜系统10上。例如，波导38可以确保自清洁膜系统10可以在被遮挡、阴影或黑暗条件下发挥作用，在这些条件下，膜14将不会遇到具有紫外线或红外线波长的电磁辐射。
具体地，现在参考图3，波导38包括第一光源46，第一光源46配置为朝向膜14发射电磁辐射的第一部分40。电磁辐射的第一部分40具有10nm至400nm的紫外线波长。第一光源46可以包括多个紫外线光电二极管48。波导38还包括第二光源50，第二光源50配置为向膜14发射电磁辐射的第二部分42。电磁辐射的第二部分42具有700nm至1mm的红外线波长。第二光源50可以包括多个红外光电二极管52。如此，波导38可以配置为朝向膜14发射紫外线电磁辐射和红外线电磁辐射。
再次参考图4，波导38还可以包括设置在衬底12处并且配置为扩散电磁辐射的第一部分40和电磁辐射的第二部分42的扩散器54。例如，扩散器54可以包括多个扩散结构(未示出)，例如，设置在衬底12附近的波导38的出口56处的挡板。因此，扩散器54可以中断或重新引导或扩散分别从第一光源46(图3)和第二光源50(图3)到衬底12并穿过衬底12的电磁辐射的第一部分40和第二部分42的传输。
另外，自清洁膜系统10还可以包括介电涂层58，该介电涂层58设置在远侧表面24上并且配置为朝向近侧表面22反射电磁辐射的第一部分40。也就是说，介电涂层58可以由多个层(未示出)形成，并且可以将紫外线电磁辐射反射回衬底12中。例如，介电涂层58可以是配置为将电磁辐射的第一部分40朝向膜14重新引导的多层反射器。
类似地，如图4中最佳所示，自清洁膜系统10可以进一步包括沿着衬底12的第一边缘26(图2)和第二边缘28(图2)中的至少一个设置的反射带60。反射带60同样可以将紫外线电磁辐射朝向膜14反射回衬底12中，从而使得电磁辐射的第一部分40可能不会通过第一边缘26、第二边缘28和远侧表面24从衬底12中离开。合适的反射带60可以从位于明尼苏达州圣保罗市的3M公司以商品名购得。
现参考图3和图4，自清洁膜系统10还可以包括配置为向衬底12发射光线64(图4)的显示器62。显示器62可以将光线64投射或发射到衬底12和膜14。介电涂层58可以夹置于衬底12与显示器62之间。例如，自清洁膜系统10可以包括光学透明粘合剂66，由此使显示器62粘附到介电涂层58上。如上所述，介电涂层58可以配置为将电磁辐射的第一部分40朝向膜14反射。由于波导38可以在衬底12处的膜14正下方注入电磁辐射的第一部分40和第二部分42，因此，自清洁膜系统10可能不需要将第一部分40和第二部分42传输通过显示器62的各个层68、70、72、78(图3)。
通过非限制性示例的方式，显示器62可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器或不透明表面。在一个非限制性示例中，显示器62可以是设置在壳体内并配置为发出图像的液晶显示器。尽管未示出，但是显示器62(例如液晶显示器)可以包括光源，诸如白光发光二极管。显示器可以对光线64(图4)进行光学调制并发出图像，该图像最终可以作为文本、图表、对象、形状等被操作者看到。例如，图像可以作为行进速度、行驶方向、环境温度数据、警告、水平指示器、文本等让操作者看到。
显示器可以包括无源矩阵显示装置或有源矩阵显示装置，即薄膜晶体管显示装置。无源矩阵显示装置可以包括导体格栅，其具有设置在网格中每个交叉点处的多个单独像素中的一个像素。电流可以通过两个导体传递，以便控制单个像素的操作和光。可选地，有源矩阵显示装置可以在每个交叉点处包括晶体管。
如图3所示，显示器62可以包括第一面板68，第一面板68可以包括一个或多个偏振器70，该偏振器70配置为偏振可见光，即具有可见光谱中的波长的电磁辐射。更具体地，显示器62可以包括配置为发射光线64(图4)的投影仪(未示出)。光线64可以是偏振光。具体地，光线64可以具有s偏振态或p偏振态。虽然未示出，但是显示器62可以包括布置成发射光线64的合适光源。例如，显示器62可以包括对光进行聚焦、放大、折射和/或反射的光学元件，并且可以限定出一个或多个孔。在非限制性示例中，显示器62可以发射来自发光二极管的光线64。
继续参考图3，显示器62还可以包括与第一面板68相邻设置的一个或多个光学箔片72。合适的光学箔片可以增强图像的亮度或清晰度，并且可以包括亮度增强膜、双重亮度增强膜、多个量子点及其组合。
再次参考图3，自清洁膜系统10可以进一步包括第三光源74，该第三光源74设置在显示器附近并且配置为朝向显示器62发射电磁辐射的第三部分76。例如，显示器62可以是塑料封装的液晶显示器，而第三光源74可以是发光二极管矩阵背光源。更具体地，显示器62可以包括第二面板78，该第二面板78设置在光学箔片72附近并且配置为将电磁辐射的第三部分76朝向衬底12引领或引导。在一个非限制性示例中，第三光源74可以是紫外线发光二极管，并且电磁辐射的第三部分76可以具有400nm至100nm的波长。可选地，第三光源74可以是白炽灯泡或可见光发光二极管，并且电磁辐射的第三部分76可以具有740nm至380nm的波长。
现参考图5，总体上示出了一种形成自清洁膜系统10的方法80。方法80包括将由选自氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合的氟化材料形成的单分子层30沉积82到衬底12上。作为非限制性示例，沉积82可以包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、浸渍、擦拭、喷雾、弯液面涂覆、湿式涂覆、其组合等。沉积82可以包括形成物理性吸附(即物理吸附)并与相邻分子交联的自对准单分子层30。在一个示例中，沉积82可以包括对石墨靶和聚四氟乙烯靶进行磁控溅射沉积，即共溅射。在另一示例中，沉积82可以包括在含氟气体(例如但不限于二氟乙炔气体、八氟环丁烷气体、四氟甲烷气体和六氟环氧丙烷气体)中对石墨和聚四氟乙烯进行反应性磁控溅射沉积，这样可有助于实现膜14的超疏水性。
也就是说，单分子层30可以以合适方式沉积到衬底12上，从而使得单分子层30化学地或物理地键合到衬底12。例如，对于其中衬底12由二氧化硅形成的实施例，氟化材料的每个分子可以交联到氟化材料的相邻分子，并且当单分子层30沉积到衬底12上时，可以在近侧表面22(图2)处产生新的化学键。
在沉积82之后，方法80可以包括烧蚀84单分子层30以限定多个第一空腔86(图3)，其中多个第一空腔86中的每一个空腔沿着单分子层30与多个第一空腔86中的一个相邻空腔间隔开。在另一个实施例中，烧蚀84单分子层30还可以限定多个第二空腔88(图3)，其中多个第二空腔88中的每一个空腔沿着单分子层30与多个第二空腔88中的一个相邻空腔间隔开。作为非限制性示例，烧蚀84可以包括激光烧蚀、等离子体烧蚀、紫外线烧蚀等。烧蚀84可以沿着近侧表面22(图2)去除氟化材料单分子层30的若干分子，从而限定多个第一空腔86。类似地，烧蚀84可以沿着近侧表面22去除氟化材料单分子层30的若干分子，从而限定多个第二空腔88。通常，多个第一空腔86可以从膜14的第一表面16(图2)延伸到膜14的第二表面18(图2)。类似地，多个第二空腔88可以从膜14的第一表面16延伸到膜14的第二表面18。
在烧蚀84之后，方法80包括将光催化材料嵌入90多个第一空腔86中的每一个中，以在衬底12上形成膜14并由此形成自清洁膜系统10。因此，膜14包括多个第一区域32(图3)，该多个第一区域包括光催化材料。多个第一区域32设置在单分子层30内并且彼此间隔开，使得多个第一区域32中的每一个邻接氟化材料并被其包围但未被其覆盖。类似地，方法80可以包括将银嵌入90多个第二空腔88中的每一个中，以在衬底12上形成膜14。因此，膜14可以包括多个第二区域34(图3)，该多个第二区域包括银并且设置在单分子层30内，使得多个第二区域34中的每一个邻接银并被其包围。多个第二区域34也可以不被氟化材料覆盖。
嵌入90可以包括将光催化材料注入或置于单分子层30中，使得光催化材料在多个第一区域32(图3)内形成柱状物。例如，嵌入90可以包括用遮盖物(未示出)覆盖单分子层30的各部分，这样使得光催化材料仅被嵌入到多个第一空腔86中，并且没有沉积到单分子层30的顶部。用于将光催化材料嵌入90到多个第一空腔86(图3)中以形成由单分子层30包围的多个第一区域32的合适工艺包括但不限于离子束沉积、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、化学沉淀、电泳沉积、溅射、共溅射、离子注入、蒸发、共蒸发以及脉冲激光沉积。
嵌入90还可以包括将银注入或置于单分子层30中，使得银在多个第二区域34(图3)内形成柱状物。例如，嵌入90可以包括用遮盖物覆盖单分子层30的各部分，这样使得银仅被嵌入到多个第二空腔88(图3)中，并且没有沉积到单分子层30的顶部。用于将银嵌入90到多个第二空腔88中以形成由单分子层30包围的多个第二区域34的合适工艺包括但不限于离子束沉积、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、化学沉淀、电泳沉积、溅射、共溅射、离子注入、蒸发、共蒸发以及脉冲激光沉积。
在另一个实施例中，虽然未示出，但方法80包括将氟化材料和功能化光催化材料同时化学吸附到衬底12上，以形成化学键合到衬底12的膜14并由此形成自清洁膜系统10。因此，膜14包括由氟化材料形成的单分子层30以及多个第一区域32，多个第一区域中的每一个由功能化光催化材料形成并且设置在单分子层30内且彼此间隔开，使得多个第一区域32中的每一个邻接氟化材料并被其包围但未被其覆盖。也就是说，氟化材料和功能化化光催化材料可以沉积到衬底12上，同时地吸附到衬底12上，以及化学键合到衬底12上。衬底12的近侧表面22(图2)可以与氟化材料和功能化光催化材料同时发生化学反应，形成膜14。
在嵌入90或者同时进行化学吸附之后，膜14包括由光催化材料形成并且沿着第一表面16彼此间隔开的多个第一区域32(图3)。这些第一区域32可以用于从膜14上去除指纹，由此使得膜14表现出自清洁能力。在另一个实施例中，膜14可以包括由银形成并且沿着第一表面16彼此间隔开的多个第二区域34(图3)。这些第二区域34可以用于提高膜14的抗污特性和抗微生物特性，并且还可以有助于将气味从周围环境中去除。
再次参考图5，方法80进一步包括用电磁辐射的第二部分42(图3)照射92膜14(即，用红外光照射92膜14)，从而使污染物100(图1)朝向多个第一区域32(图3)移动，如下面更详细描述的。也就是说，照射92可以包括拉伸、变形和摇动污染物100的甲基基团102(图1)中的至少一种，由此使得污染物100沿着膜14移动。例如，照射92可以增加污染物100沿着膜14的第一表面16的运动，由此可以增大污染物100遇到由光催化材料形成的多个第一区域32中的至少一个区域的可能性。
特别地，照射92可以包括使污染物100暴露于具有引起至少一个甲基基团102振动的波长的电磁辐射下(图1)。例如，照射92可以包括通过将污染物100暴露于电磁辐射的第二部分42下来拉伸至少一个甲基基团102。同样地，照射92可以包括通过将污染物100暴露于电磁辐射的第二部分42下来使至少一个甲基基团102变形。类似地，照射92可以包括通过将污染物100暴露于电磁辐射的第二部分42下来摇动至少一个甲基基团102。这种拉伸、变形和/或摇动可以使污染物100沿着膜14移动或摆动。
方法80进一步包括用电磁辐射的第一部分40照射92膜14(即，用紫外线照射92膜14)，从而增强在多个第一区域32处的污染物100的光催化降解(图3)并降低污染物100的可见度，这也将在下面更详细地描述。也就是说，照射92可以增强在多个第一区域32处的光催化材料的光催化活性。
更具体地，照射92可以包括发射出其波长被调整到光催化材料的带隙的电磁辐射，从而引发污染物100(例如，作为指纹而残留的角鲨烯)的光催化作用，如下面更详细描述的。如本文所用，术语“带隙”是指光催化材料的价带中电子的最高允许能量级与光催化材料的导带中的最低允许能量级之间的能量差。换言之，带隙指的是使光催化材料具备导电性所需的最小光量。
方法80可以进一步包括使膜14和污染物100(例如，具有甲基基团102的角鲨烯(图1))接触。也就是说，接触可以包括触摸膜14，以使得操作者将污染物100(例如，指纹、角鲨烯、有机物质和/或油)残留到第一表面16(图2)上。油可以包括脂肪酸的油且可以天然合成，并且还可以在操作者触摸膜14时施加到膜14上，或者可以例如通过喷涂或涂覆人工地施加到膜14上。污染物100与光催化材料(其暴露在由波导38发射的电磁辐射下)之间的接触可以引发光催化反应。更具体地说，光催化材料可以是光催化剂，例如，二氧化钛或掺杂银的二氧化钛。在光催化剂(即光催化材料)、电磁辐射(例如，紫外线)以及水(例如，来自环境条件的湿气)的存在下，光催化反应可以形成强氧化剂，并将污染物100(如有机物质或角鲨烯)分解为二氧化碳和水。这样一来，光催化材料可能没有被催化反应消耗掉，而是可以仅作为非反应物来加速光催化反应。
更详细地，当具有期望波长的电磁辐射照射光催化材料(例如，二氧化钛、掺杂银的二氧化钛或者二氧化钛纳米颗粒和银纳米颗粒的混合物)时，来自光催化材料的价带的电子可以促进形成光催化材料的导带，这又可以在价带上形成空穴并在导带中形成过量的负电荷或电子。此空穴可能有助于氧化，而电子可能有助于还原。通常，空穴可以与水结合以产生羟基基团(·OH)。空穴还可以直接与污染物100发生反应以提高膜14的整体自清洁效率。类似地，光催化材料的周围环境中的氧可以被电子还原以形成超氧离子(·O2-)，而这种超氧离子(·O2-)转而可以对存在于膜14上的有机材料进行氧化。因此，方法80可以包括氧化污染物100。对于包括银的实施例，羟基基团还可以分解微生物细胞壁和细胞质壁的磷脂部分，使得微生物因缺乏呼吸作用而死亡，这样又可以将存在于膜14上的有机物质分解并且还有利于实现膜14的抗污性和抗沾污性。
另外，在与电子复合之前，空穴可能会被捕获。对于这种情况，可以将光催化材料功能化。例如，方法80可以包括将二氧化钛掺杂有例如钯或钌。钯或钌可以用作电催化剂，并且可以增加电子向氧分子的转移，这继而可以减少电子和空穴复合的发生。
此外，存在于单分子层30处的膜14上而不是与多个第一区域32直接接触的有机材料可以与第一表面16(图2)处于动态平衡状态，并且可以朝向膜14(即多个第一区域32)上的相对较高能量位置扩散。因此，方法80还可以包括沿着膜14将污染物100从单分子层30扩散到多个第一区域32中的至少一个区域。为了改善这种扩散，可以对波导38(例如，第一光源46和第二光源50)加以调整，从而发射出其波长被调整至污染物100和氟化材料的振动共振的电磁辐射。这种调整可以使污染物100或指纹能够沿着单分子层30摆动或移动到多个第一区域32，在那里，污染物100可以经历如上所述的光催化反应。可选地或另外地，膜14还可以例如通过红外辐射进行加热，以便进一步改善穿过单分子层30朝向多个第一区域32的扩散。
因此，方法80可以进一步包括蒸发污染物100。更具体地，一旦污染物100接触到了多个第一区域32处的光催化材料，污染物100就可以被光解成较低蒸气压大小的小块或部分，它们可以从膜14上蒸发掉，从而从膜14上去除污染物100或角鲨烯。因此，自清洁膜系统10可以表征为自清洁性。也就是说，膜14可以通过去除(例如，氧化和蒸发)因操作者触摸而残留的污染物100(例如，指纹、角鲨烯、油和/或有机材料)来对衬底12加以保护。因此，自清洁膜系统10和方法80可以为显示系统、镜片、传感器和表面提供出色的美感、清洁程度和可读性，尤其是那些用于如下应用的显示系统、镜片、传感器和表面：通过例如有色玻璃为自清洁膜系统10屏蔽掉电磁辐射的紫外线波长或红外线波长。具体地，膜14可以是相对较薄的，具备超疏水性、透明性、抗刮擦性、耐用性和坚韧性，并且可以是硬涂层(即可以具有大于17.5GPa的硬度和大于150GPa的弹性模量)。
虽然已经详细描述了用于执行本公开的最佳方式，但是，熟悉本公开所涉及的领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种自清洁膜系统，包括：
衬底；
膜，其设置在所述衬底上并且包括：
由氟化材料形成的单分子层，所述氟化材料选自由氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合组成的群组；以及
多个第一区域，所述多个第一区域设置在所述单分子层内并且彼此间隔开，使得所述多个第一区域中的每一个邻接所述氟化材料并被其包围但未被其覆盖，其中所述多个第一区域中的每一个都包括光催化材料；以及
波导，其设置在所述衬底附近并且包括：
第一光源，其配置为朝向所述膜发射电磁辐射的第一部分，其中电磁辐射的所述第一部分具有10nm至400nm的紫外线波长；以及
第二光源，其配置为朝向所述膜发射电磁辐射的第二部分，其中电磁辐射的所述第二部分具有700nm至1mm的红外线波长。
2.根据权利要求1所述的自清洁膜系统，其中所述膜具有第一表面以及与所述第一表面相对间隔开并邻接所述衬底的第二表面，并且另外其中所述第一表面基本上不含角鲨烯。
3.根据权利要求2所述的自清洁膜系统，其中所述衬底具有：
邻接所述第二表面的近侧表面；
与所述近侧表面相对间隔开的远侧表面；
连接所述近侧表面和所述远侧表面的第一边缘；以及
与所述第一边缘相对间隔开的第二边缘；并且
其中所述波导设置在所述第一边缘附近。
4.根据权利要求3所述的自清洁膜系统，还包括介电涂层，所述介电涂层设置在所述远侧表面上并且配置为朝向所述近侧表面反射电磁辐射的所述第一部分。
5.根据权利要求1所述的自清洁膜系统，还包括设置在所述衬底与所述波导之间的光学胶合剂，使得所述波导粘附到所述衬底。
6.根据权利要求1所述的自清洁膜系统，其中所述波导还包括设置在所述衬底处并且配置为用于扩散电磁辐射的所述第一部分和电磁辐射的所述第二部分的扩散器。
7.根据权利要求1所述的自清洁膜系统，其中所述第一光源包括多个紫外线光电二极管，而所述第二光源包括多个红外线光电二极管。
8.根据权利要求1所述的自清洁膜系统，其中所述膜限定与水的接触角大于140°。
9.根据权利要求1所述的自清洁膜系统，其中所述光催化材料是二氧化钛，并且可以以锐钛矿形式存在于所述多个第一区域中。
10.一种形成配置为降低污染物的可见度的自清洁膜系统的方法，所述方法包括：
将由选自氟化有机化合物、氟化无机化合物及其组合的氟化材料形成的单分子层沉积到衬底上；
在沉积之后，烧蚀所述单分子层以在其中限定多个第一空腔，其中所述多个第一空腔中的每一个空腔沿着所述单分子层与所述多个第一空腔中的一个相邻空腔间隔开；以及
在烧蚀之后，将光催化材料嵌入所述多个第一空腔中的每一个中，以在所述衬底上形成膜并由此形成所述自清洁膜系统；
其中所述膜包括多个第一区域，所述多个第一区域包括所述光催化材料；
其中所述多个第一区域设置在所述单分子层内并且彼此间隔开，使得所述多个第一区域中的每一个邻接所述氟化材料并被其包围但未被其覆盖；
其中所述自清洁膜系统还包括：
波导，其设置在所述衬底附近并且包括：
第一光源，所述第一光源配置为朝向所述膜发射电磁辐射的第一部分，其中电磁辐射的所述第一部分具有10nm至400nm的紫外线波长；以及
第二光源，其配置为朝向所述膜发射电磁辐射的第二部分，其中电磁辐射的所述第二部分具有700nm至1mm的红外线波长；以及
在嵌入后，用电磁辐射的所述第二部分照射所述膜，从而将所述污染物移向所述多个第一区域；以及
用电磁辐射的所述第一部分照射所述膜，从而增强所述多个第一区域处的所述污染物的光催化降解并降低所述污染物的所述可见度。
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