Odkryto zależność zmiany energii w procesie adsorpcji od położenia poziomu Fermiego i z tym związanej możliwości przekazu elektronów pomiędzy adsorbatem i półprzewodnikiem. Powoduje to skokową zmianę energii adsorpcji dla krytycznych pokryć powierzchni dla których poziom Fermiego uwalnia się. Zachodzi to w sytuacji braku zagięcia pasm przy powierzchni. Dla tego pokrycia równowagowe ciśnienia adsorbatu w fazie gazowej zmienia się z reguły wiele rzędów wielkości, co powoduje że warunki wzrostu warstw/kryształów półprzewodników odpowiadają pokryciu krytycznemu.

Przyłączanie adsorbatu zachodzi przy przez jego umieszczenie w minimum potencjału w pobliżu powierzchni, co oznacza jego przyspieszenie w drodze do minimum i uzyskanie znacznej energii kinetycznej. Jej dyssypacja zachodzi podczas bardzo krótkiego czasu zderzenia z powierzchnią. Proponowany model utraty energii kinetycznej (składowej pędu prostopadłej do powierzchni) polega na tunelowaniu elektronu do wnętrza na skutek działania silnego pola Langa-Kohna przyciągającego elektron do wnętrza kryształu i jonizację adsorbatu. Dodatnio naładowany adsorbat jest silnie odpychany, co powoduje utratę jego pędu i gładkie przyłączenie do powierzchni.

Podczas krystalizacji atomy są umieszczane w sieci, co daje zerowa entropie konfiguracyjną układu atomów w węzłach. Uwolnienie ich powoduje opróżnienie węzłów, a dodatkowo możliwość zajmowania stanów poza węzłami. Podwójny stan (w węźle i poza węzłem) może być tylko obsadzony przez pojedynczy atom. Obliczenie w tym modelu entropii konfiguracyjnej powala wyznaczyć zmianę entropii podczas przemiany z fazy gazowej w krystaliczną, zgodną z danymi termodynamicznymi.

Polaryzacja spontaniczna powoduje powstanie pola elektrycznego, które nie jest ekranowane w przypadku studni kwantowych, zagrzebanych we wnętrzu półprzewodników. Dla odmiany wpływ polarnych powierzchni jest ekranowany. Dlatego nie ma pól we wnętrzu studni w sieci blendy cynkowej ale są w przypadku wurcytu. Skonstruowano model lokalny pozwalający zgodnie z definicją Landaua wyliczyć polaryzacje spontaniczną, niezależnie od powierzchni zewnętrznych, tzn. w sposób jednoznaczny, co dotychczas było kontestowane.

W półprzewodnikach azotkowych nie zachodzi hybrydyzacja sp³ stanów azotu podczas wiązania - powstają dwa oddzielne podpasma walencyjne stanów s oraz p. Jednak struktura tetraedryczna sieci pozostaje. Zachodzi to na skutek istnienia stanów rezonansowych azotu o obsadzeniach ułamkowych co pozwala na tetraedryczną koordynację sieci wurcytu azotków.

Wychwyt nośników większościowych może prowadzić do powstania stanów naładowanych defektów głębokich. Nośniki mniejszościowe mogą więc być przyspieszane w polu elektrycznym naładowanego defektu. Pole może być ekranowane co powoduje zależność rekombinacji od gęstości nośników. W efekcie nieradiacyjna rekombinacja SRH nie znika w pobliżu temperatury zera bezwzględnego.

W niejednorodnych warstwach azotków pojawia się niezerowy ładunek elektryczny, na skutek efektu domieszkowania polaryzacyjnego, zidentyfikowanego przez D. Jena. Efekt taki rzeczywiście występuje co udowodniliśmy przez zastosowanie skonstruowanego modelu atomowego do obliczeń ab initio oraz wyliczenie przestrzennie wolno-zmiennej składowej potencjału elektrycznego. Ten ładunek jest nieruchomy, związany z wiązaniami sieci, nie prowadzący do przewodnictwa elektrycznego. Sformułowano scenariusz pojawienia się i kompensacji równolegle dwu typów ładunku: wiązań i ruchomego, a następnie nowy scenariusz pojawiania się ładunku ruchomego co prowadzi do niezależnej od temperatury przewodności elektrycznej typu p-GaN. Otrzymany scenariusz pojawiania się przewodnictwa elektrycznego prowadzi do przełamania kluczowej bariery rozwoju przyrządów LED i LD w postaci niskiej przewodności typu p półprzewodników azotkowych .

Układ równoległych stopni podczas wzrostu przez ich płynięcie jest stabilizowany przez odpychanie dyfuzyjne. Jednak obserwowany wzrost jest niestabilny, pojawiają się makrostopnie. Zaproponowano więc nowy mechanizm pojawienia się dwu- i wyższych stopni, czyli makrostopni. Jest to wynik niestabilności ciągu stopni, tzw. pociągu stopni czyli skończonego układu gęstych stopni otoczonego obszarem stopni bardziej odległych. W tej niestabilności ostatni stopień ciągu jest szybszy i dołącza do poprzedniego tworząc stopień podwójny. Na skutek tego podwójny stopień jest wolniejszy przez co dołączają stopnie z kolejnego ciągu. Zgodnie z tym scenariuszem makrostopień jest utworzony przed doścignięcie podwójnego stopnia przez stopnie z kolejnego ciągu stopni.

Czasowy przebieg fotoluminescencji został zamieniony na zależność od strumienia emitowanego światła. Powoduje to zamianę współczynników ABC rekombinacji na współczynniki wielomianu potęg wielkości strumienia. Wyznaczenie współczynników wymaga usunięcia szumu. Zaproponowano model uśredniania szumu, co pozwala na wyznaczenie wkładu różnych typów rekombinacji (SRH, optyczna, Auger). Można więc charakteryzować własności optyczne układów półprzewodnikowych przez użycie bezpośredniego pomiaru rekombinacji optycznej.

Symulacje topnienia kryształu GaN metodą dynamiki molekularnej ab initio doprowadziły do nowego obrazu rozpadu kryształu GaN w wysokich temperaturach. Charakteryzację przemiany prowadzono metodami: uśredniania warstwowego, funkcji korelacji gęstości, analizy wiązań kowalencyjnych oraz czasowych przebiegów odległości międzyatomowych. Wyniki pozwoliły na określenie rozpadu uporządkowania dalekiego. W przypadku uporządkowania bliskiego wyróżniono rozpad do stanu atomowego oraz do molekularnego. Rozpad do stanu atomowego, czyli topnienie zachodzi wyłącznie w wysokich ciśnieniach, powyżej 12 GPa. W ciśnieniach niższych rozpad prowadzi głównie do stanu molekularnego tzn. do molekuł N₂, co efektywnie prowadzi do separacji fazy gazowej i ciekłej czyli do wydzielania gazu oraz powstawania roztworu azotu w ciekłym metalu.

Zidentyfikowano powstawanie bariery Schottky'ego dla każdego kontaktu dowolnego metalu i GaN typu p. Otrzymano obraz układu Au-GaN w badaniach ab initio. Rozwiązano problem elektrycznego stanu kontaktu Au-GaN typu p i wykazano że silne domieszkowanie Mg sprzyja obniżeniu bariery, natomiast umiarkowana kompensacja jest neutralna. Wyjaśniono mechanizm powstawania niskiego oporu przez wygrzewania kontaktu Ni/Au w środowisku utleniającym. Zaproponowano nowy typ kontaktu utworzony poprzez implantacje warstwową dopasowanym układem głębokich akceptorów.

Przebieg procesów wzrostu kontrolowanych przez dyfuzje jest wynikiem podwójnego charakteru procesu dyfuzji: uśrednionego pola oraz stochastycznego ruchu atomów. Generalnie obydwa efekty prowadzą do niestabilności wzrostu, co więcej, mogą się sprzęgać. Przeciwnie działającym efektami stabilizującymi są energia powierzchni czyli napięcie powierzchniowe oraz dyfuzja powierzchniowa. W przypadku dyfuzji o dużej średniej drodze swobodnej, tzn. balistycznej wzrost się destabilizuje jednorodnie przez chaotyczne przyłączanie atomów, a stabilizuje przez dyfuzje powierzchniową. Wyprowadzono warunek kinetyczny pozwalający określić wzajemny wkład tych dwu czynników, co prowadzi do szeregu różnych typów wzrostu, które sklasyfikowano. W przypadku małej drogi swobodnej wzrost się destabilizuje przez efekt ostrzowy. Wykazano że przejście pomiędzy wzrostem balistycznym a dyfuzyjnym zachodzi dla rozmiaru kryształu równego czterem długościom drogi swobodnej. Wykazano że w przypadku wzrostu silnie dominowanego przez dyfuzje objętościową (wysokie przesycenie) zachodzi wzrost fraktalny, a w przypadku dominacji dyfuzji powierzchniowej wzrost kryształu, który może się destabilizować do powstawania gałęzi bocznych czyli dendrytów. Wykazano że powstawanie gałęzi bocznych zależy od dyfuzji powierzchniowej co dokłada się do zidentyfikowanego przez innych autorów napięcia powierzchniowego. W przypadku 2-d zaobserwowano powstawanie fal kapilarnych, co destabilizuje powierzchnie. Podobny efekt meandrowania modelowano i obserwowano dla układu stopni na powierzchni GaN w układach MOVPE.

Metody ab initio wykorzystują geometrię studni kwantowych, która pozwala na symulacje rzeczywistych struktur studni w pewnym zakresie grubości, co wynika z ich translacyjnej niezmienniczości. Pozwoliło to na identyfikacje i dokładne wyznaczenie pól elektrycznych w studniach, ich wpływu na procesy rekombinacji, w tym związku energii i wydajności rekombinacji z geometrią studni i barier. Wyniki te pozwoliły na ilościowe wyznaczenie efektu Starka w studniach (QCSE), związanego z wpływem polaryzacji spontanicznej i piezo.

Molekularny azot jest silnie związanym układem, nazywanym molekularnym gazem szlachetnym. Oddziaływanie molekuł N₂ jest silnie anizotropowe i słabe, stanowiąc poprawkę o 5 rzędów wielkości mniejszą od energii całkowitej molekuł. Anizotropowy potencjał oddziaływania w funkcji 4 zmiennych został wyznaczony więc przez obliczenia ab initio wysokiej dokładności. Stosując ten potencjał użyto symplektycznej metody całkowania równań dynamiki molekularnych sztywnych rotorów dla otrzymania równania stanu oraz lepkości azotu w wysokich ciśnieniach. W przypadku lepkości opracowano nowy algorytm sprzężenia pędowego czyli przekazu pędu do obrotowych stopni swobody cząsteczek N₂ na powierzchni ciało stałe - gaz.

Azotek aluminium ma polarną powierzchnie, zakończoną atomami Al. Powinien wiec wykazywać własności metaliczne, tzn. silnie katalizować rozpad molekuł N₂. Wyniki obliczeń ab initio wskazują na obniżenie bariery rozpadu N2 z 9.8 eV do 5.0 eV. W obecności wodoru powinno to prowadzić do syntezy amoniaku. Obliczenia wskazują na możliwość zastosowania AlN do katalizy syntezy amoniaku. Dodatkowo w przypadku mieszaniny azotu i tlenu może to prowadzić do syntezy NO czyli do uzyskiwania syntezy związków tlenu i azotu, o olbrzymim znaczeniu dla technologii

Azot molekularny charakteryzuje się najwyższą energia wiązania ze wszystkich molekuł dwuatomowych, równa 9.8 eV. Rozpad azotu molekularnego, konieczny dla syntezy azotków wymaga silnego efektu katalitycznego. W obliczeniach ab initio dla modelu klastrowego powierzchni ciekłych metali wykazano że w tych układach ciekłe metale silnie katalizują rozpad molekuły N2. Jedynie powierzchnia Li nie katalizuje rozpadu ze względu na słabe wiązanie litu z atomami azotu. Wyznaczono rozpuszczalność azotu w ciekłym Ga i Fe w funkcji temperatury i ciśnienia .

W procesach wzrostu azotków metodą MOVPE na powierzchni GaN(0001) powstaje pokrycie mieszane NH₂/NH₃. Przyłączanie amoniaku powoduje nadmiar elektronów w układzie, natomiast rodników NH₂ - niedomiar. Powoduje to równoważenie efektów dla proporcji NH2/NH3 równej 3:1 i uwolnienie poziomu Fermiego. Zastosowanie nawet śladowej koncentracji wodoru w fazie gazowej powoduje zwiększenie proporcji amoniaku, i silne zmniejszenie energii wiązania atomów In. W efekcie brak wkładu elektronowego powoduje blokadę adsorpcji indu na powierzchni GaN(0001) i praktycznie kompletną blokadę jego włączania podczas epitaksji MOVPE warstw GaInN, co jest obserwowane eksperymentalnie.

Otrzymano szereg rozwiązań dla układów elektronicznych i optoelektronicznych opartych na wurcytowych azotkach metali grupy III. Wyniki z sukcesem zastosowano w konstrukcji azotkowych diod LD i LED.

Wykonano obliczenia ab initio dla układu adsorpcji tlenu na powierzchni wolframu W(110). Skonstruowano model węzła adsorpcji, zawierający dwa położenia atomu tlenu w konfiguracji trzech najbliższych sąsiadów - atomów wolframu. Otrzymany model węzła został potwierdzony przez badania eksperymentalne. Wyniki ab initio posłużyły ponadto do modelowania Monte Carlo ścian domenowych w adsorpcji O/W(110).

Zbadano własności optyczne układów wielostudni azotkowych GaN/AlGaN, GaN/AlN oraz InGaN/GaN. Wyniki teoretyczne posłużyły do weryfikacji szeregu obserwowanych efektów w PL, w tym przesunięć energii emisji, jej natężenia i czasu zaniku dla różnych konstrukcji studni polarnych i niepolarnych.

Grafen - kilku warstwowy analog grafitu - 2-d odmiany węgla może powstawać na powierzchni SiC przez sublimacje krzemu. Poprzez obliczenia ab initio wyznaczono atomowy mechanizm wzrostu na powierzchni węglowej SiC, związany z brakiem silnego wiązania warstw grafenu z powierzchnią, co stwarza możliwość ucieczki atomów krzemu kanałem otwartym przez duża odległość grafenu i powierzchni SiC. Umożliwia to wzrost kilkudziesięciu warstw grafenu na powierzchni węglowej. Dla odmiany grafen jest silnie wiązany na powierzchni krzemowej SiC, co uniemożliwia ucieczkę krzemu gdyż warstwy grafenu nie przepuszczają atomów Si. W efekcie powstaje kilka, nie więcej niż 3-4 warstwy grafenu na powierzchni krzemowej, głównie przez ucieczkę Si przez defekty struktury grafenu. Wykazano również że wygrzewania warstw grafenu na powierzchni krzemowej SiC w atmosferze wodoru powoduje jego odszczepienie przez wysycenie wiązań krzemu wodorem.

Wyznaczono szereg własności termodynamicznych układów azot-metale grupy III, m.in. takich jak energia swobodna, ciśnienie równowagi, rozpuszczalności azotu w ciekłych metalach. Wyznaczono to metodami dopasowania do własności termodynamicznych, uśredniania i ekstrapolacji własności cieplnych, co wspomagało procesy syntezy azotków: GAN, AlN i InN. Opracowano modele konwekcji w układach wzrostu, oraz modele reakcji azot-metale grupy III.

Otrzymano analityczne rozwiązanie nieliniowego układu równań dynamiki wzrostu sferycznej zarodzi nowej fazy w polu temperatury i koncentracji roztworu. Wynik jest dokładny dla specyficznego warunku początkowego układu. W ogólności układ rosnącej zarodzi ewoluuje to tego rozwiązania asymptotycznie dla długich czasów dla dowolnego warunku początkowego.