水是生物体最重要的组成部分,被誉为生命之源。在自然条件下,几乎所有的固体表面都蒙上了一层薄薄的水雾。水固界面无处不在的特性表明它和我们的日常生活以及许多科技现象息息相关。扫描隧道显微镜(STM)作为一种先进的表面分析仪器,不仅能够观察到水分子在固体表面的形貌,吸附行为,动态扩散过程,分子轨道等,而且可以操纵单个原子或分子。本文利用超高真空-低温扫描隧道显微镜实验手段,配合密度泛函理论(DFT)计算方法,研究了水分子在Cd(0001)基底上吸附和成核的初始阶段。通过实验研究我们发现,水分子在衬底表面聚集形成以二聚体为主导的团簇。在液氦(4.7 K)温度下,我们观察到了吸附在衬底Cd原子不同位置上的单个水分子以及它的LUMO轨道。结合第一性原理,我们对其吸附在不同位置的吸附能以及电偶极矩进行计算,发现水分子吸附在桥位的吸附能高于顶位,并且沿针尖电场方向具有较大的偶极矩,因而在针尖电场的作用下,单分子从稳态(顶位)转变为亚稳态(桥位)。此外,新奇的是,吸附在顶位水分子的偶极矩相对于气态的水分子有一个明显的增加,这意味着在Cd衬底和水分子之间有明显的电荷转移。在液氮(77 K)温度下,水分子聚集形成以二聚体为主导的各种尺寸,形貌的团簇。尤其,二聚体自组装形成了不同尺寸的纳米冰片。在单个二聚体中,我们发现两个水分子均吸附在顶位,相比于自由的二聚体,拥有更强的氢键。此外,在针尖电场的驱动下水二聚体可以脱离一个团簇,然后吸附到另外一个团簇的一边,并且在脱离和吸附过程中,二聚体水分子并没有旋转。而在由二聚体组成的纳米冰片的内部,在针尖电场的诱导下水二聚体不仅可以扩散,还可以旋转。DFT计算说明水二聚体的超高稳定性可归因于衬底诱导的水偶极矩的增强。