主要研究领域为低维凝聚态物理，计算材料学。主要学术贡献包括：

1. 　　1）提出了描述过渡金属团簇电子性质、磁矩的有效配位数模型，被国际同行广泛采用并写入多部学术专著和权威综述，以第三完成人获国家自然科学二等奖。

2. 　　2）开发了团簇基态结构搜索程序，揭示了典型单质和化合物团簇结构和电子性质的尺寸演化规律，关于Cd、Zn、Pb等团簇中的金属-非金属转变的预言被谱学实验直接证实；发现了若干具有新奇电子性质的超原子团簇，命名并设计了一系列俄罗斯套娃团簇，得到本领域同行的跟踪研究。

3. 　　3）澄清了硼球烯的稳定性规律，确定了笼形结构存在的尺寸范围，纠正了B₈₀硼球烯的错误预言，发现了B₈₀团簇的核壳结构（被法国科学家以本人的名字命名），预测了最小的硼球烯B₂₈并得到实验验证。

4. 　　4）从笼型团簇出发预测了一种低密度水合物新结构，存在于水冰相图的负压区域，有可能成为冰的新相，在气体存储方面具有潜在应用前景，被国际科技媒体广泛报道。

5. 5）系统揭示了碱金属掺杂、气体吸附、表面功能化、三维组装、晶界对碳纳米管和石墨烯的物性调控规律，确定了与器件设计相关的重要参数（功函数、电导、能隙、理想强度等）。两次被国际同行誉为“先驱计算”，论文被诺贝尔奖获得者Novoselov、Geim、Hoffmann等科学家大量引用，做出的一系列理论预言相继得到实验的证实。

6. 　　6）建立了二维原子晶体在金属衬底表面的形核生长理论，获得了具有一定普适性的金属衬底选择判据，设计了三元合金衬底用于单层石墨烯的低成本制备，成功预测了贵金属衬底上的硼烯合成；通过氧化插层获得了具有狄拉克锥能带特征的准自由硅烯，被IEEE Spectrum评价为“硅烯制备的突破”。

7. 7）提出了描述锗团簇的紧束缚（TB）模型，被本领域权威学者以本人的名字命名为ZTB模型；建立了第一性原理计算晶体弹性系数的普适方案，推动了国际上关于晶体高阶弹性系数的大量研究和后续的算法发展；提出了由剪切模量估算共价晶体维氏硬度的近似公式，被俄罗斯科学院院士评价为“数值估算材料硬度最合适的近似方法”。