Розвинуто теорію функціонально-градієнтних термоелементів і термоелектричних модулів на їх основі. Досліджено характеристики таких модулів у системах охолодження та генерування електричної енергії. Визначено шляхи підвищення ефективності термоелектричного способу перетворення енергії завдяки створенню та використанню термоелектричних батарей з неоднорідних матеріалів. Побудовано узагальнену теорію проектування оптимальних функціонально-градієнтних термоелектричних матеріалів (ФГТМ), що утворюються під дією одного або декількох факторів і підвищують ефективність каскадних, секційних, проникних термоелектричних структур в режимах охолодження та генерування електричної енергії. Розвинуто теоретичні засади та створено комп'ютерні способи розв'язання задач оптимізації термоелементів і модулів з ФГТМ для охолоджувачів і генераторів. Установлено оптимальні розподіли концентрації носіїв струму в матеріалах на основі Bi - Te, Pb - Te, Si - Ge та індукції магнітного поля для Bi - Sb. Досліджено умови підвищення ефективності модулів з таких ФГТМ в режимах охолодження та генерації електричної енергії.

Теоретично досліджено нові ефекти у таких наноелектромеханічних системах як електричний і магнітний одноелектронні шатли з частковою поляризацією електронів і термоіндуктований одноелектронний шатл, а також побудові теорії термоелектричних ефектів у спінтронних молекулярних транзисторах. Вивчено вплив неповної поляризації на області нестійкості електричного і магнітного шатлу. Показано принципову можливість створення одноелектронного шатлу з тепловим джерелом енергії. Запропонований новий механізм тертя в наноелектромеханічних системах. Оптимізовано термоелектричну добротність спінтронного транзистора на основі квантової точки та молекулярного транзистора на основі пружно деформованої металічної вуглецевої нанотрубки.

Досліджено закономірності впливу хімічного та фазового складу на термоелектричні властивості та дефектну підсистему легованих і гетерофазних матеріалів на основі напівпровідників групи А4В6 для використання у перетворювачах теплової енергії в електричну. Встановлено, що досягнення високих значень термоелектричної добротності досліджуваних пресованих матеріалів забезпечується, в першу чергу, низькими значеннями коефіцієнта теплопровідності за рахунок наявності структурних дефектів різної розмірності (границі зерен, мікро та нановключення додаткових фаз, точкові дефекти). Встановлено переважаючий тип точкових дефектів у досліджуваних матеріалах та їх концентрацію в залежності від технологічних умов приготування зразків, що забезпечує можливість створення матеріалів з наперед заданими властивостями та прогнозування властивостей нових матеріалів на їх основі.