以电子和原子尺度材料建模、表征、设计和调控为主题，分三个方向：1）发展材料理论模型、计算方法和数据技术。关注于如何更准确地描述具有强非谐性、强电子-晶格相互作用、静/动态无序和缺陷的材料。2）理解已知材料过程和现象。基于量子和统计力学原理以及计算物理方法探索材料微观结构与其中粒子和准粒子能量、动理学以及平衡态和输运性质的关系。3）设计新材料配方及其制备工艺。以高效率、低成本按需开发新材料为目标，以“材料基因组工程”为指导思想，使用理性设计、高通量计算与实验验证和数据科学等手段，开发具有目标性质和效能的新材料。

过去研究涉及新材料理性设计、高通量搜寻、计算数据自动采集框架开发、材料数据库建立和数据挖掘、材料加工-结构-物性关系探索、材料理论发展和多尺度模拟等领域；应用领域涉及能源材料（太阳能电池、燃料电池和核燃料）和功能材料（光电和多铁）。