На кафедрі здійснюються наукові дослідження за кількома важливими науковими напрямками, які проводяться в рамках індивідуальної комплексної тематики наукової роботи викладачів та співробітників. Одночасно кафедрою виконуються фундаментальні та прикладні дослідження за державними бюджетними темами.

Кафедра володіє потужною науково-технічною базою, що дозволяє проводити на ній наукові дослідження з різних сучасних тематик. Так, професор Опачко І.І. керує роботами в області лазерної фізики та квантової електроніки. Роботи виконуються  із застосуванням унікального оптичного обладнання, зокрема, потужного лазера на парах міді.

В лабораторії електронної мікроскопії під керівництвом доктора фіз.-мат. наук, професора Іваницького В. П. проводяться дослідження невпорядкованих систем та наноструктур. Для цього використовуються два електронні мікроскопи, препаруючий ультрамікротом, потужні комп’ютери для обробки електронномікроскопічних зображень та для моделювання структури багатоатомних систем.

Доктор фіз.-мат. наук, професор Рубіш В.М. веде активну наукову діяльність в області нанотехнологій, запису та реєстрації інформації. В лабораторіях наукового центру розміщене унікальне технологічне обладнання для виготовлення матеріалів сучасних носіїв інформації та відеодисків. Наукові дослідження проводяться на сучасних вимірювальних стендах голографічного запису, термічного аналізу, електрофізичних вимірювань.

У вакуумно-технологічній лабораторії, оснащеній універсальними напилювальними постами, кандидат фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Савченко М. І., науковий співробітник Трунов М.Л. та науковий співробітник Козич Л.І. розробляють багатошарові тонко плівкові структури для різноманітних застосувань: інтерференційна оптика, оптичні покриття, сенсори фізичних величин, пристрої наномеханіки, тощо.

На кафедрі створені умови та всіляко підтримується індивідуальна наукова робота студентів. Під керівництвом викладачів студентами виконуються науково-дослідні роботи, розробляються нові електронні пристрої, щорічно проводяться студентські наукові конференції. Кілька студентів кафедри виграли міжнародні гранти і отримали фінансування для виконання досліджень за сучасною науковою тематикою. Багато випускників кафедри успішно навчаються в аспірантурі ведучих наукових закладів України та захищають кандидатські дисертації.

За результатами проведених досліджень співробітниками кафедри за останні п’ять років захищено одну докторську та дві кандидатські дисертації з фізико-математичних наук. Різноплановість наукової тематики кафедри ілюструє також список основних наукових публікації співробітників кафедри за останні роки:

1. Photoplastic effect in non-crystalline materials: a nanoindentation study M.L. Trunov, J. Phys. D: Appl. Phys.  2008 41074011 (9pp) (Impact factor 2.2, 1997).
2. Determination of viscoelastic material parameters by step-loading nanoindentation S.N. Dub and M.L. Trunov  - J. Phys. D: Appl. Phys.2008 41074024.
3. Savchenko N.D., Kondrat A., Shchurova T., Opachko I., Rubish V.M. Amorphous-crystalline heterojunctions for optoelectronic sensors: Electronic structure and properties // Sensor Electronics and Microsystem Technologies. - 2007. ‑ No. 4. ‑ P. 21‑25.
4. М.Л. Трунов, В.С. Биланич, С.Н. Дуб Исследование фотопластического эффекта в стеклообразных полупроводниках методом циклического наноиндентирования // Физика твердого тела, 2008. – Т.50, вып. 11. – C. 1978-1983. (Impactfactor0.67, 1997)
5. В.П. Іваницький, В.М. Кришеник, В.І. Сабов Порівняння векторного відгуку плівок аморфних халькогенідів та азобензенових полімерів при фото збудженні // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2009. - Т.7, №2. - 443-457.
6. Шпак А.П., Іваницький В.П., Ковтуненко В.С., Куницька Л.Ю., Рубіш В.М. Невпорядковані халькогенідіні системи. Ч. І. Особливості аморфного стану халькогенідних стекол та плівок // Київ: видавництво і-ту металофізики, 2009, 114 ст.
7. Shchurova T.N., Savchenko N.D., Popovic K.O., Baran N.Yu.Depth profiling of the near-surface layer for Ge₃₃As₁₂Se₅₅ thin films // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2010. - Т. 1. - № 3. - С. 343-347.
8. А.П. Шпак, В.М. Рубіш, В.П. Іваницький, Л.Ю. Куницька. Невпорядковані системи, Ч.ІІ. Халькогенідні стекла та аморфні плівки // К.:ІМФ НАНУ, 2010. – 159 с. – ISBN 1816-52-31.