Esta conformada principalmente por Scanning Tunneling Microscopy (STM) y Atomic Force Microscopy (AFM). STM funciona al escanear una punta de metal sobre la superficie. Al llevar la punta de metal muy cerca de la superficie, y al aplicar un voltaje eléctrico ya sea a la punta o a la muestra, se puede obtener una imagen de la superficie a una escala extremadamente pequeña (hasta resolver átomos individualmente!). AFM es capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons. Al rastrear una muestra, es capaz de registrar continuamente su topografía mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica. Esencial para el desarrollo de nanotecnología.

Tres de las principales técnicas para análisis de superficies son X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Time of Flight - Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF SIMS) y Low Energy Ion Scattering (LEIS). XPS es cuando un átomo o molécula absorbe un fotón de rayos X y un electrón sale expulsado. La energía cinética (KE) del electrón depende de la energía del fotón (hv) y la energía de enlace (BE) del electrón. Al medir la energía cinética de los electrones emitidos, es posible determinar qué elementos se encuentran cerca de la superficie, sus estados químicos y la energía de enlace del electrón.