刘明长期从事半导体存储器和集成电路的微纳加工等方面的研究，阐明了阻变存储器机理，建立了相应的物理模型；提出了功能层掺杂和局域电场增强的阻变存储器性能调控方法，提高存储器整体性能；拓展了新型闪存材料和结构体系，提出新的可靠性表征技术、失效模型和物理机理；发展了集成电路的微纳加工技术并拓展到禁运的短波衍射元件研制中。刘明在国际上首次采用软X射线曝光技术实现了256位分子存储器；在32nm技术节点以下的非挥发性存储器替代方案上，提出了利用金属掺杂的技术手段来提高阻变存储器（RRAM）性能和成品率的方法，成为国际上最早提出此概念的两个小组之一，在渐进型的非挥发性存储器替代方案上，着眼于纳米晶浮栅存储结构（Nano-Floating Gate）。