金刚石与石墨的差异与碳原子连接方式有关，晶界连接取向不同的相邻晶粒区域，晶体缺陷会显著影响材料的力学和电学性质

石墨烯由单层碳原子构成蜂窝状平面结构。二维材料的性质受到厚度和层间作用影响。纳米材料的表面效应常比宏观材料更加显著。量子点的能级结构会随尺寸改变而变化。材料硬度与韧性是不能相互替代的性质。脆性材料可能很硬却容易发生裂纹扩展。弹性形变在外力撤去后通常能够恢复。塑性形变会留下不能立即恢复的永久形状变化。

绝缘体的较大带隙限制常温下的载流子产生。半导体导电性位于典型金属与绝缘体之间。本征半导体中的电子和空穴成对产生。空穴描述价带中缺少电子所形成的有效载流行为。掺杂可以改变半导体载流子的浓度与类型。施主杂质通常为半导体提供额外电子。受主杂质通常有助于形成空穴载流子。结区内建电场影响电子与空穴的迁移。

超导转变通常要求温度低于材料的临界温度。临界磁场和临界电流也会限制超导状态。库珀对是一种由相互作用关联形成的配对态。超流体可以呈现异常低黏性和量子涡旋现象。量子霍尔效应表现为霍尔电导的精确量子化。二维电子系统在强磁场中可出现特殊量子态。拓扑绝缘体可能具有导电表面与绝缘体相。拓扑性质关注某些连续变化下不改变的特征。