Newton mekaniği ve Maxwell elektromanyetizmasından başlayıp, elektronların parçacık ve dalga niteliklerini göz önüne alarak malzemelerin özellikleri incelenir. Klasik fizikle açıklanamayacak olayları anlamak için, öncelikle elektronların dalga ve ışığın parçacık özelliklerini anlayacak gereçler geliştirilir – yani, Schrödinger denkleminin etrafında kuantum mekaniğini yapılandırılır. Kuantum kimyasal bir yaklaşımla, molekülde bağ oluşumu ile polimerlerin elektrik ve optik özellikleri açıklanır. Metallerin ve yalıtkanların elektrik/optik özellikleri için ise, oylumda ve ara yüzeyde katı hal fiziği modelleri geliştirilir. Bunlar yarıiletken malzemelerin ve p-n bağlantılarının temellerinin anlaşılmasına yol açar.