长期从事碳基电子学领域的研究，做出一系列基础性和开拓性贡献。四次担任国家“973计划”、重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。发展一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的无掺杂制备新技术；首次实现5纳米栅长碳管晶体管，证明器件在本征性能和功耗综合指标上相较最先进的硅基器件具有约10倍的综合优势，性能接近由量子测不准原理决定的理论极限；制备新型超低功耗狄拉克源晶体管，为超低功耗纳米电子学的发展奠定基础，极大推进了碳基集成电路的竞争力和实用化发展。在《科学》等期刊发表SCI论文400余篇。 相关成果获国家自然科学二等奖（2010和2016年）、高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013年）、北京市科学技术一等奖（2004年），入选中国科学十大进展（2011年）、中国高等学校十大科技进展（2000和2017年）、中国基础科学研究十大新闻（2000年）。个人获何梁何利基金科学与技术进步奖（2018年）、全国创新争先奖（2017年）、推动“北京创造”的十大科技人物（2015年）、全国优秀博士学位论文指导教师（2009年）、北京大学首届十佳导师（2013年）等荣誉。